연구 성과와 볼거리

부터화교대학의 위전화교수팀지도자, 상간지에 발표자연 커뮤니케이션》, 기사 제목《페로브스카이트 태양전지에서 구멍 추출 및 이온 차단을 향상시키는 초페초페초페페로브스카이트 태양전지에서 초페로초페페로브스카이트 태양전지에서 구멍 추출》。

현재의 에너지 효율을 고려한 설계n-i-p형 칼슘 티타늄 태양 전지장기 수명 제한의 문제, 이 문제는 주로 칼슘 티타늄 광산과 섞인 전기 구멍 전송층 (HTL은) 이질매듭의이온 확산, 이로 인해HTL은의 전도율 저하와 칼슘 티타늄 성분의 손실.이 관건적인 도전을 해결하기 위하여 위전시화 교수팀은슬림형 (약) 을 개발 및 연구7네미)의p유형 폴리머 중간층 (D18은）。

•D18은초박형 중간층은 리튬, 메틸암모늄, 헤모글로빈과 요오드 이온의 층간 확산을 효과적으로 억제했다。

• D18칼슘 티타늄 개선/ HTL인터페이스의 에너지 대역 배열은 더욱 효과적인 전동 추출을 촉진시켰다。

•이 혁신적인 설계를 바탕으로 한 칼슘 티타늄 태양 전지는최대26.39%(인증된26.17%)의 전력 변환 효율성(소면적 장치) 및25.02%(대용량 부품) 효율성。

•이 장치는 최대 전력점 추적을 통해 연속적으로 작동합니다. 1100 시간 후에도초기 효율성 유지95.4%, 현저한 안정성 향상을 보여준다.

•통과QFLS는(준페르미늄급 분열) 분석확인했습니다VOC는향상은 비방사성 복합의 감소뿐만 아니라D18은중간층의 벨트 배열에 대한 최적화.

연구팀

연구 팀은 주로화교대학，위전 화화셰리창교수는 이 연구의 공통점이다통신 작성자그리고 홍콩 도시 대학의알렉스예인 K.-Y.교수 등 연구자들이 공동으로 협력하다.

연구 배경

칼슘 티타늄 태양 전지 분야, 특히 고효율 에너지n-i-p구조적인 측면에서는 다음과 같은 몇 가지 중요한 어려움과 과제에 직면해 있습니다.

•제한된 운영 수명: 효율성n-i-p형 칼슘 티타늄 태양 전지는 효능이 있지만운영 수명은 상대적으로 제한됨보다 못하다p-i-n형 배터리 안정.

•칼슘 티타늄 및 전동 전송층 (HTL은) 사이에 이온 확산, 결과HTL은전도율 저하와 칼슘 티타늄 성분 손실.

•상용HTL은재료 Spiro-OMeTAD는패브릭이 부드럽고 두께가 큽니다., 발생하기 쉬움혼합제 유실그리고이온 차단력 부족。

•안정성을 높이기 위해대체Spiro-OMeTAD는효율성이 크게 저하될 수 있습니다.

•칼슘 티타늄 재료 자체이온 키 특성, 격자가 비교적 부드러워 이온 이동이 발생하기 쉽다, 나아가 부식HTL은전극을 맞추다.

•기존 인터페이스 재료는이온의 상호 확산 억제와 고효율 전동 추출 유지 사이의 양립이 어렵다。

해결 방법

앞서 언급한n-i-p형 칼슘 티타늄 태양 전지가 겪는 어려움과 도전은슬림형 삽입p유형 폴리머 중간층 (D18은）핵심적인 솔루션.주로 다음과 같은 몇 가지 측면에 중점을 둡니다.

•이온 차단 레이어 구축:利用D18은폴리머는 칼슘 티타늄 광층과 전동 전송층 (HTL은, 주로Spiro-OMeTAD는) 사이에 하나의슬림형(약7나노) 촘촘한 막。D18은중합물의 특수 분자 구조, 특히 그DTBT 합병 반지단원이 형성하는 강함π–π스택더욱 촘촘한 박막을 형성하는데 도움이 되므로칼슘 티타늄 광산의 이온 (예: 리튬, 메틸 암모늄, 헤모글로빈 및 요오드 이온) 방향을 효과적으로 차단HTL은의 확산. 이런 차단 작용은 보호할 수 있다HTL은이온의 부식을 피하는 동시에 칼슘 티타늄 광산의 성분의 손실을 줄일 수 있으며, 나아가 부품의 안정성을 높일 수 있다.

•최적화된 인터페이스 에너지 수준 정렬:이온 차단 기능 외에도,D18은중간층은 또한개선 칼슘 티타늄과HTL은에너지 수준 간의 정렬. 연구 결과,D18은에너지 수준과 인접한 칼슘 티타늄과Spiro-OMeTAD는간에는 비교적 좋은 일치성을 가지고 있다.도입D18은, 가능인터페이스의 에너지 손실을 줄이고 더욱 효율적인 전동 추출을 촉진하다。

•핫스핀 코팅 기법 사용:확보하기 위해D18은중간층의치밀성 및 균일한 커버, 연구팀이 채택열 회전 도료 공예침적해D18은박막이런 방법은 더욱 좋은 인터페이스접촉을 형성하여 이온차단효과와 전동전송효률을 높일수 있다.

•검증D18은：연구진은 실험을 통해D18은에서이온의 확산을 억제하는 방면의 능력은 상용하는 중합물보다 현저히 우수하다HTL은재료, 예P3HT는화PTAA는. 이 원인은D18은더욱 강한 분자간의 상호작용으로 더욱 치밀한 박막을 형성할수 있다.

실험 과정과 절차

•재료 제조:

○연구팀작성중간층의 핵심 재료인D18은중합체

○제조주석 소금과 같은 칼슘 티타늄 태양 전지에 필요한 기타 재료SnO2는전자전송층), 요오드화연(PbI2는) 및 각종 유기염(칼슘 티타늄 광산을 형성하는 데 사용).

○조제다른 농도의D18은용액, 후속 박막 퇴적에 사용.

•부품 제조:

1. 먼저자유로운 구현유리 기판 에 퇴적 하다SnO2는전자 전송층

2. 통과2단계 용액법에서SnO2는레이어 위칼슘 티타늄 박막 제조및 사용OAI는표면 둔화 처리를 하다.。

3. 도입하기 위해D18은중간층, 연구자들은뜨거운D18은용액 은 둔화 된 칼슘 티타늄 광 박막 에 돌려 바른다. 그들은핫스핀과 적당한 농도의D18은용액은 치밀하고 균일한D18은중간층이 굉장히 중요해요.. 그들은 서로 다른 분자량의D18은용해성과 성막성에 차이가 있어 결국 선택했다D18-M의(중분자량) 주요 인터페이스 재료로 사용됩니다.그들도 발견,D18은차가운 칼슘 티타늄 박막에 회전 도포하면 뭉치기 쉽다.

4. 에서D18은레이어 위회전 도료Spiro-OMeTAD는전동 전송층。

5. 스팀 도금 또는 실버전극, 태양전지 부품 제조 완료.

•이온 차단 효과 연구:

○ 검증을 위해D18은의 이온 차단 능력, 연구자는 실험을 설계, 관찰 PbBr2는와FAI는의 반응。

○그들은 먼저 유리 기판 위에 있다퇴적PbBr2는박막。

○그런 다음 섹션에서PbBr2는박막상서로 다른 농도의 것을 돌려 바르다D18은、P3HT는화PTAA는폴리머 필름대비로 삼다.

○그런 다음 서로 다른 재료로 덮인PbBr2는박막상회전 도료FAI는용액, 색상 변화 여부를 관찰합니다.덮어쓰기가 관찰됨D18은의PbBr2는박막은FAI는회전 도료 후뚜렷한 색상 변화가 없어요., 표시D18은이온의 확산을 효과적으로 막았다.대조적으로, 더 높은 농도의P3HT는화PTAA는비슷한 차단 효과를 얻을 수 있다.

○연구자들은 또한X방사선 회절(XRD)기술은 이러한 박막의 결정 구조 변화를 분석하여, 한층 더 실증하였다.D18은일정한 농도에서 막을 수 있다PbBr2는화FAI는사이의 반응.그들은 또한 열응력에서D18은서로 다른 이온에 대한 저항력.

•D18은박막 특성 분석:

○사용스캐닝 전자 현미경(SEM)관찰했어D18은칼슘 티타늄 표면의 덮개 상태에서, 열선 도료를 통해 얻을 수 있다는 것을 실증하였다균일하고 치밀했어D18은박막。

○사용고해상도 투과식 전자 현미경(HRTEM)측정했어D18은중간 레이어의 두께는 대략7네미그리고 관찰D18은칼슘 티타늄 결정 입자와 결정계와 밀접하게 접촉하다.그 분들도 뒤에 있는 걸 확인했어요.스피로는퇴적 과정 중, 초박형의D18은중간층은 파괴되지 않습니다.

○통과 표면전위현미경(KPFM) 칼슘 티타늄 표면의 전위 분포를 분석한 결과D18은칼슘 티타늄 표면과 형성될 수 있다균일한 접촉。

연구 성과와 표징

준페르미급 분열(Quasi-Fermi 레벨 스플리팅, QFLS)및 회로 전압(Voc)

비방사성 복합 손실 평가 및 이해D18은중간층이 회로 전압에 미치는 영향.

그림3d제어 그룹 및D18은그룹 부품의 측정Voc는화QFLS는. 제어 그룹 렌더링 (제어) 및D18은그룹 부품의 회로 전압 (VOC는) 및 광학 발광에 따른 양자 효율 (PLQY는) 계산된 준페미급 분열 (QFLS는）。D18은구성 부품의QFLS는컨트롤 그룹에 비해 값 증가20 MeV, 그리고측정했어VOC는향상됨33 mV 일치하다.이것은VOC는의 향상은 비방사성 복합 손실의 감소에 기인할 뿐만 아니라향상된 인터페이스 에너지 수준 정렬관련되다.

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2. 전류 밀도-전압(J-V)커브

연구팀이 사용했어요EnliTech는의AAA는태양광 시뮬레이터SS-X는진행 J-V는커브 측정,태양전지의 핵심 성능 파라미터를 평가하다

그림4A는컨트롤 그룹 및 비교D18은소면적 칼슘 티타늄 태양 전지의J-V는역방향 및 양방향 스윕을 포함한 커브도입D18은중간층 이후 최적D18은소면적 부품을 조립하여 실현하였다. 26.39%(역방향 검색) 및26.12%(양방향 스캔) 전력 변환 효율, 채움 계수80.37%최대83.92%, 회로 전압은1.152 V의최대1.185 V의，따라서 전체적인 효율성이 향상됩니다.

•그림4C는넓은 면적을 보여 주었다(1cm2)칼슘 티타늄 태양 전지의J-V는커브, 컨트롤 그룹과 비교D18은그룹.넓은 면적에서도 사용D18은중간층의 부품은 여전히 비교적 높은 효율을 나타낸다.

3. 외부 양자 효율(외부 양자 효율성, EQE)

연구팀 사용EnliTech는의EQE는시스템QE-R는，다양한 파장 조명에서 태양 전지의 응답을 측정하고 단락 전류 밀도를 적분으로 계산합니다.(JSC)。

그림S 23는：컨트롤 그룹 비교D18은그룹 칼슘 티타늄 태양 전지의 외부 양자 효율 (EQE는) 스펙트럼.전체 가시광선 흡수 범위 내에서D18은구성 부품의EQE는제어 그룹에 비해 향상되었습니다.포인트EQE는스펙트럼에서 얻은 단락 전류 밀도와J-V는곡선이 측정한 수치가 일치하다.

연구 결과:D18은그룹 부품의 적분 단락 전류 밀도는 25.86 mA cm?25 , 및J-V는커브의 결과가 일치합니다.

기타 표징

•X방사선 회절(XRD)：

칼슘 티타늄 박막의 결정 구조와 순도를 분석하고 열 응력에서 부품의 분해 상황을 평가한다.평가용D18은의 이온 차단 효과.결과 확인D18은중간층은 칼슘 티타늄이 열응력에서 분해되는 것을 효과적으로 억제하고,그리고 일정한 농도에서저지PbBr2는화FAI는사이의 이온 교환 반응。(그림1C, 그림2B, 그림S 10은）

•비행 시간 이차 이온 스펙트럼(ToF-SIMS)：

부품층 내 원소의 분포 상황을 분석하고 노화 과정에서 이온의 이동 행위를 연구한다.그 결과 열응력에서컨트롤 그룹 부품 중 칼슘 티타늄 광산의I-화FA는+이온의 뚜렷한 방향Spiro-OMeTAD는층확산, 그리고D18은그룹 부품에서 이온의 이동이 현저하게 억제되다。(그림2e、2F, 그림S 13은）

•광택 발광(PL)시간 구분 광택 발광（TRPL）：

칼슘 티타늄 광산의 캐리어 동력학과 인터페이스 전하 이동 효율을 연구한다.도입D18은중간층 후,칼슘 티타늄의 격자 복합이 효과적으로 억제되어 전하 분리와 추출 효율이 향상되었다。(그림3A는, 그림3B, 그림S 19은）

•켈빈 탐침력 현미경(KPFM)：

측정HTL은표면의 표면 전위, 노화 후 평가HTL은의 함수 변경.노화 후제어 그룹 장치Spiro-OMeTAD는의 표면 전위가 현저히 낮아지고, 공함수도 현저히 떨어진다.，D18은그룹 부품Spiro-OMeTAD는의 표면 전위와 공함수 변화는 비교적 작다.(그림2시간、2i는）

•스캐닝 전자 현미경(SEM)：

박막의 표면 형상과 부품의 단면 구조를 관찰하다.이미지 확인D18은중간층은 치밀한 박막을 형성하여 칼슘티타늄광의 표면을 효과적으로 덮을수 있으며 로화된후 칼슘티타늄광의 형상을 보호할수 있다.(그림2D, 그림S5는）

결론

이 연구는 효율적인n-i-p형 칼슘 티타늄 태양 전지 중 1 층 도입극히 얇다D18은중합체 중간층.이 혁신적인 설계는 다음과 같은 획기적인 발전을 가져왔습니다.

•태양 전지의 안정성을 대폭 향상시켰다.：D18은중간층이 효과적으로칼슘 티타늄 광층과 전동 전송층을 막았어요(HTL)사이의 이온 확산칼슘 티타늄 재료와HTL은분해를 면하다.실험은 없는 것에 비해D18은중간층의 부품, 사용D18은의 부품은 지속적인 조명과 고온 조건에서 더 높은 효율을 유지할 수 있다.

•에너지 전환 효율 향상：D18은중간층칼슘 티타늄과HTL은에너지 수준 간의 정렬, 전기 구멍의 효과적인 추출을 촉진하고 인터페이스 에너지 손실을 감소시킵니다.결국 연구팀이 만든 태양전지는최대26.39% (인증 대상26.17%)전력 변환 효율, 그리고 대면적(1평방 센티미터)부품의 효율도 도달하다25.02%。

출처: Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-024-55329-0

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