연구 배경과 도전

최근 몇 년 동안 칼슘 티타늄 태양 전지(PSC)중자체 조립 단분자층(SAM)의 응용 연구에 따르면 그 작용 메커니즘은 전통적인 인터페이스 짝극 디자인 원칙과 현저한 차이가 존재한다. 특히n-i-p구조에서 전자 선택 분자 레이어로 사용(ESML)시.이런 전통 이론에서 벗어난 현상은 연구자들로 하여금 재검토하게 한다SAM은의 실제 역할 메커니즘은 주로 다음과 같은 세 가지 측면에서 구현됩니다.

1. 설계 원칙의 이론적 모순：p-i-n구조 중의 전동 추출 자체 조립 단분자층(HSSAM)전자 성질 을 주는 아닐린 기 단원 을 채택하면 투명 전도 산화물 을 효과적으로 높일 수 있다(TCO)의 공함수는 흡전자기단이 공함수를 높여야 한다는 전통적인 이론과 모순된다.

2. 표면 혼합 메커니즘의 중요성: 실험 증거에 의하면,SAM은주요 역할은 인터페이스 짝극 효과에만 국한되지 않고 표면에 전자가 풍부하거나 부족한 영역을 형성함으로써"표면 혼합"과 유사할 수 있다(표면 도핑)특정 캐리어의 추출을 촉진하는 메커니즘입니다.왜 있는지 설명해 주는 거야n-i-p구조 중 전자형이 부족하다SAM(ESSAM)전자 선택 레이어로 유효합니다.

3. 공정과 구조의 균일성 문제：PSC는제조 중 상용하는 회전 도료법은 보장하기 어렵다SAM은의 균일한 배열, 연구 발견HSSAM은실제 응용에서 불균등한 표면 커버를 나타내고 심지어 이상적인 단분자층이 아닌 다층 구조를 형성하여 짝극 취향이 임의화되어 전통에서 한층 더 벗어난다SAM은개념.

연구팀 및 중점 연구 성과

이 연구는중국과학원 복건물질구조연구소 고붕(Peng Gao)教授지도자, 논문 발표미국 화학학회(JACS)。

연구팀이 채택"협동 결핍 전자 표면 공정"(시너지 전자 부족 표면 공학)칼슘 티타늄 태양 전지를 해결하기 위해 서로 다른 강도의 결핍 전자 재료를 체계적으로 분석했다(PSC)중자체 조립 단분자층(SAM)작용 메커니즘이 전통적인 인터페이스 짝극 설계 원칙에서 벗어난 문제.그들은 구체적으로 연구했다이중 기능 피리딘기 전자 선택 분자층(ESML)그리고 카르복실산 기단을 통해(Bpy-COOH)다음으로 대체전자를 강하게 흡입하는 시안 아크릴 부분(Bpy-CAA) 분자의 흡전자 강도를 조절하여 흡착, 전자 추출, 둔화 효과를 강화한다.연구가 밝혀졌다분자의 전자 성질은 고효율 전자 추출에 있어서 짝극의 취향보다 더 결정적이다.

주요 성과:

1. 효율적인Bpy-CAA는기단결PSC는장치, 구현 23.98%전력 변환 효율(PCE)。

2. 1cm² 대면적의n-i-p PSC장치PCE는도달 21.63%네, 현재 기사에서 유기농ESML의 효율성 중 하나입니다.

3. ~을Bpy-CAA는으로SnO2는칼슘 티타늄이 접촉하는 인터페이스 층 시 단결PSC PCE는도달 26.00%。

4. 4단 칼슘 티타늄에 적용/실리콘 직렬 태양 전지(4T-P/STSCs)당시 사람들의 주목을 끌었던 30.83% PCE, 보도된4T-P/STSCs고효율의 대열（그림 7、테이블 1）

실험 절차와 과정

그림 4a

재료 준비 및 어셈블리 준비

1. 재료 합성

• 시판 을 채택 하다Bpy-COOH는재료

• 한 단계 통과Knoevenagel은축합 반응 합성Bpy-CAA는

2. 태양 전지 제조 공정

• 기판 처리：자유로운 구현초음파 세척을 거친 기판(세정제, 이온제거수, 아세톤, 에탄올)및 펄프 처리

• 전자 전송층: 스크류 희석SnO2는콜로이드 용액은 동시에 퇴화하여 약 형성된다35nm두께의 레이어

• 전자 선택 분자층: 서로 다른 농도의Bpy-COOH는또는Bpy-CAA는용액 병열 처리

• 칼슘 티타늄 광층: 스핀오프 특정 밴드 갭(1.57eV)또는1.53eV)의 칼슘 티타늄 전구체 용액, 과정 중 반용제 첨가(클로로벤젠 또는 아세트산 에스테르)촉진 결정, 후속 열처리

• 빈 구멍 전송층: 코팅Spiro-OMeTAD는용액

• 전극 제조：

• 단결 배터리: 핫스팀 실버 도금(Ag)상단 전극을 만들다

• 반투명 배터리와 4단 직렬 상단 배터리: 순차적 퇴적Au/MoO3는버퍼 계층,정보투명 전극,Ag는메쉬, 마지막으로 추가MgF2는반사 방지 코팅

3. 실리콘 이질결합 하단전지(4단 직렬 구조에 사용)

• 실리콘 웨이퍼 부식 피라미드 텍스처 형성 및 표준 세척

• 통과PECVD는침적 다층 실리콘 박막은 둔화와 혼합층으로 한다

• 스파크 도금ITO는그리고 열을 내리고, 마지막에 도금한다.Ag는전극

안정성 평가

• 저장 안정성: 주변 공기 중에 패키지되지 않은 어셈블리 배치(30%상대 습도, 실온), 밤낮으로 성능 모니터링

• 운영 안정성: 고정 태양 광선 아래에서 최대 출력점 추적(MPP 추적)

• 구조적 안정성: 칼슘 티타늄 박막 환경 공기 중 노화, 정기적으로 진행XRD는측정 추적 결정 구조 변화

그림 1c

표징 방법과 결과

준페르미급 분열(QFLS) /회로 전압 억제(iVOC)

QFLS는부품의 전자를 측정했다-공혈은 빛에 의해 도달하는 최대 에너지 분리 정도,QFLS는광학 발광 양자 생산율에 따라(PLQY)측정 결과 를 계산해 낸 것 은 이론상 최대 회로 전압 으로 볼 수 있다(iVOC), 그것은 비방사성 복합 손실의 크기를 직접 반영합니다.연구 결과,Bpy-CAA는인터페이스의 비방사성 복합 손실을 효과적으로 최소화할 수 있다.

그림S36b는: 서로 다른 기판의 반스택 구성 요소를 비교한QFLS는값.순수한 칼슘 티타늄 박막에 비해1.226 eV，Bpy-COOH/칼슘 티타늄 샘플의QFLS는대폭 감소1.201 eV, 그리고Bpy-CAA/칼슘 티타늄 샘플은1.216 eV. 이것은Bpy-CAA는에너지 준위 정렬과 칼슘 티타늄 표면 결함 둔화를 개선하여 인터페이스 비방사성 복합 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

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전력 변환 효율(PCE)와 전류 밀도-전압(J-V)커브

J-V는커브는 전력 변환 효율을 제공합니다.(PCE), 회로 전압(Voc), 단락 전류 밀도(JSC)및 채우기 계수(FF)등 주요 매개 변수입니다.연구팀 사용Enlitech SS-X는태양광 시뮬레이터, 시뮬레이션오전 1.5G (100 mW/cm)²)태양 광조 조건에서 측량하다.

1. 상단 반투명 칼슘 티타늄 태양 전지(ST-PSC)：사용 중Bpy-CAA는처리의SnO2는인터페이스 아래 구현됨 20.60%의PCE는，Voc는위1.209V，JSC는위20.85 mA/cm의²，FF는위81.73%。

2. 밑부분 실리콘 이질매듭(SHJ)태양 전지:맨 위에 있어요.ST-PSC는필터링 후에도 공헌 10.23%의PCE는。

3. 전체4T-P/STSCs：최상위 및 하단 배터리의 총 효율 30.83%。

그림7B: 사용 또는 사용 안 함 표시Bpy-COOH는화Bpy-CAA는처리의SnO2는의ST-PSC는의J-V는커브이 그림은 직관적으로 보여 준다Bpy-CAA는처리 후 어셈블리 성능이 크게 향상되었습니다.

그림7C는: 표시ST-PSC는에서자유로운 구현측광에 비친J-V는커브 및 통과ST-PSC는여과된 실리콘 태양전지의J-V는커브직렬 배터리의 각 하위 배터리에 대한 성능 제공 및 최종 요약30.83%총PCE는。

표 1: 경과 또는 미경과를 자세히 나열합니다.ESML처리의SnO2는최고의 성능 광대역 갭ST-PSC는및 스태킹4T-P/STSCs의 태양광 매개변수

외부 양자 효율(EQE)

EQE는태양전지가 서로 다른 파장에서 입사광자를 전자전류로 변환하는 효율을 측정하였는데, 그 적분값은J-V는곡선 측정의JSC는값이 일치합니다.연구팀 사용Enlitech QE-R는양자 효율 측정 시스템,또한 각 파장의 광강도는 표준 단결정규소로 태양전지를 참고하여 교정한다.

연구의EQE는결과는 증명되었다ST-PSC는화SHJ는자전지는 태양 스펙트럼의 효과적인 이용과 적분JSC는값 및J-V는측정 결과가 일치합니다.

그림S40b는: 표시ST-PSC는상단 배터리 및 경과ST-PSC는여과된 실리콘 바닥 배터리의EQE는스펙트럼상단 배터리는 주로 단파 장광을 흡수하고, 하단 배터리는 투과된 장파 장광을 효과적으로 이용하여 높은 직렬 효율을 설명한다.그 포인트JSC는값은 각각20.59 mA/cm의²(상단)화18.47 mA/cm의²(아래쪽)

시간 해석 광학 발광（TRPL）

리드 시퀀스광 생성 캐리어 측정 (전자-빈 구멍 쌍) 의 수명, 캐리어 수명의 단축은 일반적으로 더 효과적인 전하 추출 또는 더 빠른 복합을 나타냅니다.

Bpy-CAA는처리된 칼슘 티타늄 박막은 더 짧은 캐리어 수명을 가지고 있어 전자 추출 능력이 더 강하다는 것을 보여준다.

그림S35는: 유리에 쌓인 것을 나타냅니다.FTO/Bpy-COOH화FTO/Bpy-CAA는기판 위의 칼슘 티타늄 박막의리드 시퀀스감쇠 곡선.이 추세가 증명되었다Bpy-CAA는전자 추출 및 전송 기능을 효과적으로 향상시킵니다.

순식간 반사 스펙트럼(TR 분광학)

TR는스펙트럼은 연구에 쓰인다ESML/칼슘 티타늄 인터페이스의 캐리어 동력학, 특히 탐측 깊이 (약20 nm) 내의 캐리어 수명입니다.결과 및리드 시퀀스일치, 모두 증명했다Bpy-CAA는뛰어난 전자 추출 기능.

그림5A-C는: 서로 다른 기판에 쌓인 것을 보여줍니다 (FTO/Bpy-COOH화FTO/Bpy-CAA는)의 칼슘 티타늄 박막은 서로 다른 탐지 파장과 추출 운송-지연 시간에 따른 반사율 변화를 탐지하는 2D 위조 컬러 그래프표명Bpy-CAA는더욱 우수한 전자 추출 기능을 제공합니다.

모트-쇼트키(모트-쇼트키)그림

광생 캐리어의 구동력과 부품을 연구하는 데 사용되는 내장 전위（WBI）. 연구 결과,Bpy-CAA는부품의전압비값이 더 높으면 벨트 정렬이 개선되어 광생 캐리어의 분리에 유리하다는 것을 나타냅니다.

그림5D: 벨트 정렬이 개선되어 비방사성 복합을 억제하고 향상시키는 데 도움이 됨을 나타낸다Voc는。

열전도 스펙트럼(TAS)및 트랩 상태 밀도(tDOS)

TAS는얕은 층과 깊은 층의 결함 밀도를 나타내는 데 쓰인다.결과 표시,Bpy-CAA는얕은 에너지 수준에서 기기 (약0.4의 eV) 처의tDOS는현저하게 감소하였는데, 이는Bpy-CAA는중 루이스 알칼리 둔화 단원의 효과적인 둔화 작용.

그림5e: 부품의tDOS는변천하다.Bpy-CAA는얕은 에너지 수준에서tDOS는현저하게 낮아진 것은 요오드화물의 빈자리 등 결함이 효과적으로 억제되었음을 나타낸다

전기화학 임피던스 스펙트럼(EIS)

EIS는평가에 사용PSC는의 전하 전송 특성, 특히 전하 복합 저항（Rrec）. 연구 결과,Bpy-CAA는부품의Rrec현저하게 높은 값, 표시Bpy-CAA/칼슘 티타늄 계면의 비방사성 복합 손실이 감소한다.

그림5F: 강력히 증명했다Bpy-CAA/칼슘 티타늄 인터페이스 비방사성 복합 손실의 감소.

공함수(일 기능, WF)변조

WF는측정이 제시되었다ESML영향 받는 방법자유로운 구현기판의 공함수는 전자 추출 효율에 영향을 준다.연구 증명,Bpy-CAA는현저하게 낮아졌다자유로운 구현의 기능 함수 및 보다 균일한WF는전자 추출에 유용한 분포/옮기다.주요 발견사항 분자의 전자 성질은 고효율 전자 추출에 있어서 짝극의 취향보다 더욱 결정적이다。

그림2a: 누드자유로운 구현다른 재료로 처리된자유로운 구현의 함수 분포입니다.알 수 있듯이,Bpy-CAA는처리 후자유로운 구현의 함수가 아래로 이동하고 더 균일하게 분포됩니다.

안정성 평가(저장 안정성 및 운영 안정성)

주변 공기 중의 저장 안정성 테스트와 연속 최대 출력점 추적 등 부품에 대한 전면적인 안정성 연구를 진행하였다.(MPP 추적). 결과는 다음과 같습니다.Bpy-CAA는장치는 장기적인 안정성과 조작 안정성을 보여준다.

그림6D: 패키지되지 않은 항목 표시PSC는환경 공기 중에 장기간 저장된 안정성 테스트 결과.Bpy-CAA는장치가 공기 중에 저장되다 1000 시간 후에도 원래 상태로 유지PCE는의91.2%, 그리고Bpy-COOH는기기만 유지63.4%。

그림S43는: 패키지가 표시됩니다.ST-PSC는및 패키지되지 않음Si환경 공기 중 (약30%상대 습도, 실온) 진행MPP는추적의 결과.Bpy-CAA는기기 500 시간 후에도 원래 상태로 유지PCE는의95%이상.

X방사선 회절(XRD)

XRD는칼슘 티타늄 박막의 결정 변화와 노화 과정에서의 구조적 안정성을 모니터링하는 데 쓰인다.그 결과,Bpy-CAA는칼슘 티타늄 박막의 분해를 효과적으로 줄이고 더 좋은 결정 구조의 완전성을 유지했다.

그림6a, b: 재실온약을 추적했다30%상대 습도에서 노화된Bpy-COOH는화Bpy-CAA는칼슘 티타늄 박막의 결정 변화XRD는도안.대조적으로,Bpy-CAA는시료의 수분과 산소가 노출된 후, 결정체의 강도가 약간 떨어지기만 하여, 그 효과적인 완화 작용을 두드러지게 하였다.

기타 표징

1. 핵자기 공진과 질량 스펙트럼 분석(NMR 및 MS)：표징 합성 화합물Bpy-CAA는구조의 순도와 정확성,1H NMR보중8.25 ppm의부근의 특징인 비닐 공진대는 문헌과 일치한다.(그림S6)

2. 열중 분석(TGA)：재료의 열 안정성 평가,Bpy-CAA는화Bpy-COOH는분해 온도는 각각 약200°C화320°C, 훨씬 높음PSC는일반 작동 온도85°C。(그림S8)

3. 자외선-가시광선 투과율(UV 비스)：분석ESML광학 성질, 두 가지ESML가시광선 영역에서 무시 및 쌍 흡수자유로운 구현기판 광학 투과율은 뚜렷한 영향이 없다.(그림S11)

4. 접촉각 측정(접촉 각)：평가ESML처리 후 기판과 칼슘 티타늄 전구체 용액 윤습성,Bpy-CAA는더 높은 접촉 각도 표시26.2°더 큰 결정 입자를 형성하는 데 도움이 된다.(그림2d, e)

5. 원자력 현미경(AFM)：박막 표면의 거친 정도와ESML두께, 처리 후자유로운 구현의RMS는조잡도가 낮아진 것은 인터페이스 접촉이 개선되었음을 나타낸다.(그림S13)

6. 밀도 범함 이론 계산(DFT)：아날로그 분자 전자 정전기와 짝극 모멘트, 계산 디스플레이Bpy-CAA는더 큰 짝극 모멘트가 있으며 흡착 강도가 크게 향상되었습니다.(그림2시간)

7. 푸리엽 변환 적외선 스펙트럼(FTIR)：탐구ESML칼슘 티타늄과 상호작용,Bpy-CAA는중C=O화C=N스트레칭 주파수 오프셋 확인Pb2+는피리딘N원자 배위 상호작용.(그림S20)

8. X방사선 광전자 스펙트럼(XPS)：칼슘 티타늄과ESML전자 상호 작용,Pb 4f는피크 높이 결합 에너지 이동 표시Pb는산화 상태가 높아지고Bpy-CAA는오프셋이 더 뚜렷합니다.(그림S21)

9. 전자현미경을 스캔하다(SEM)：칼슘 티타늄 박막 형태학적 특징을 관찰하고,FTO/Bpy-CAA는필름은 균일성과 완전한 커버를 나타내며 더 큰 결정 입자와 매끄러운 표면을 가지고 있다.(그림3c, d)

결론

연구팀은 새로운 이중 기능성 전자 선택성 분자층 개발에 초점을 맞추고 있습니다 (ESML) 칼슘 티타늄 태양 전지 향상(PSC는)의 효율성 및 안정성

핵심 연구 발견과 재료 설계

•전통적 인 인식 을 돌파 하다: 연구 결과, 투명 전도성 산화물 조절 (TCO는) 함수를 사용할 경우전자 표면 수식이 부족한 강약 작용은 전통적인 인터페이스 짝극자 방향보다 훨씬 낫다。

•신형ESML Bpy-CAA의 개발: 이중 기능을 피리딘에 연결하여ESML（Bpy-COOH는)의 카르복실산 기단을전자를 흡수하는 능력이 더 강한 시안프로필렌산 기단(Bpy-CAA는）, 성능 향상에 성공했습니다.

•이중 기능：Bpy-CAA는카르복실산 기단과 집게발을 동시에 갖춘 루이스 알칼리 질소 원자는 닻을 굳힐 수 있다TCO는기판은 칼슘 티타늄 결함을 효과적으로 둔화시킨다.

Bpy-CAA는주요 이점 및 메커니즘:

•공함수 조정 강화：Bpy-CAA는불소에 산화주석을 섞는다 (자유로운 구현)의 함수4.74 eV더 아래로 이동4.48 eV, 그리고 공함수 분포가 균일하다 (표면 변화는0.05 eV), 전자표면결핍현상의 주도적역할을 증명하였다.

•우수한 흡착성과 박막 품질：Bpy-CAA는대자유로운 구현표면의 흡착 강도가 현저하게 강화되었다 (흡착 에너지 수치가 더 마이너스, 달-5.22 eV에-7.60 eV）[1, 13, S18]및 감소자유로운 구현표면 거칠기[14, S19], 고품질 칼슘 티타늄 박막의 퇴적과결정 입자 생장접촉각달26.2°）。

•효율적인 결함 둔화와 전하 이동：Bpy-CAA는통과 및PbI2는의 강한 배위 작용은 인터페이스 결함 (예를 들어 요오드화물 빈자리) 을 효과적으로 둔화시키고 심층 결함과 금속 납 함량을 감소시킨다.전기학 및 스펙트럼 분석 결과,Bpy-CAA는전자 추출 및 전송 효율을 크게 향상시키고 비방사성 복합 손실을 억제하며 에너지 대역 조준을 개선합니다 (내장 전위 증가, 최대1.088V）。

칼슘 티타늄 태양 전지 성능 돌파:

•단결PSC는효율：Bpy-CAA는부품이 실현되었다최대23.98%전력 변환 효율 (PCE는）, 초월Bpy-COOH는장치 (23.20%）。유기적이야ESML적용 대상n-i-p PSC에서 보고하는 효율성 중 하나입니다.

•대면적 부품 표현: 에서1cm²의 대면적 장치중,Bpy-CAA는부품은 그대로 유지됐습니다21.63%의PCE는, 예1cm²n-i-p PSC에서 유기농 사용ESML보고된 효율성

•와SnO2는복합ESL은통합:Bpy-CAA는인터페이스 계층으로 통합SnO2는칼슘 티타늄 접촉 중, 단결PSC는의PCE는도달26.00%。

•4단 칼슘 티타늄/실리콘 직렬 태양 전지 (4T-P/STSCs）: 이 정책은 다음 단계에 적용됩니다.4T-P/STSCs구현30.83%의 효율성, 지금까지 보고된4T-P/STSCs고효율의 대열.

장치 안정성 향상:

• Bpy-CAA주변 공기 (상대습도 약) 에서 장치의 장기적인 안정성30%) 에 저장1000시간 후에도 원래 상태로 유지PCE는의91.2%, 보다 훨씬 우수Bpy-COOH는부품의63.4%. 이 원인은Bpy-CAA는물과 산소의 존재 하에서 칼슘 티타늄 광계면과 더욱 강한 흡착력[30, S38]칼슘 티타늄 결정 구조의 분해를 효과적으로 경감시켰다.

문헌 참조: Journal of the American Chemical Society_DOI: 10.1021/jacs.5c07357

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