연구 배경과 도전

PSC는상업화의 관건적인 병목은 결함 둔화 제조 과정의 재현성 부족에 있다.이 연구는 이 분야에서 직면한 세 가지 핵심 과제에 대해 다음과 같이 설명합니다.

1. 표면상태 변이성: 칼슘 티타늄 박막의 표면 상태는 서로 다른 차수, 조작자 사이에 현저한 차이가 존재하며, 미세한 공정 파동 (온도, 화학 계량비, 습도) 조차도 확연히 다른 결함 분포를 초래하여 둔화 효과를 재현하기 어렵게 한다.

2. 최적 둔화제 농도 조절 어려움: 기존 정책은 결함 수정과 전하 전송 사이의 균형점을 찾아야 합니다 (최적 농도C*), 그러나 표면 상태 변이로 인해 이미 정해진 최적 조건이 실험에 걸쳐 재현되지 않고 심지어 부정적인 효과까지 발생합니다.

3. 일반 둔화 모드의 고유한 제한：CP모드에서 둔화제 농도 변화는 그 분포와 에너지 준위의 정렬에 현저한 영향을 미치고 재현성에 영향을 준다.과량의 둔화제는 잔여 분말과 저차원상을 형성하기 쉬워 인터페이스 저항이 너무 높고 부품의 성능이 떨어지며 초기 안정성 문제가 존재한다.

연구팀과 해결방법

이 칼슘 티타늄 태양 전지 (PSC는) 결함 둔화 전략에 대한 연구,서호대학 왕예와 절강대학 설정정 교수공동으로 이끄는 팀이 완성하다.그들의 연구 성과는 국제 최고 간행물에 발표되었다. 네이처 에너지 (자연 에너지）위.

연구진은 "포화 둔화"(포화 패시베이션, SP) 새 정책다음과 같은 과제를 해결하기 위해 혁신적인 두 가지 방법을 사용합니다.

1단계: 활성 조절

불화 이소프로필알코올 사용(국제 텔레비전 축제) 둔화제 분자의 반응 활성과 침투 능력을 낮추고, 고농도 둔화제를 사용하여 모든 표면 결함이 충분히 둔화되도록 보장하는 동시에 과잉 반응과 유해 저차원상의 과도한 형성을 피할 수 있도록 허용한다.

2단계: 정밀 세척

채택국제 텔레비전 축제이소프로필알코올(IPA는) 혼합용제를 헹구어 여분의 비결합둔화제 분자를 정확하게 제거하여 결함포화둔화를 실현하고 저차원층을 적당한 두께로 유지한다.

중점 연구 성과

그림 3i

1.FIPA용제의 기능：국제 텔레비전 축제중불소 원자와 암모늄염 둔화제는 강한 수소 결합(H-F수소결합), 경쟁성 억제 둔화제와PbI2는의 과잉반응은 둔화제의 반응활성과 침투능력을 효과적으로 낮추어 유해저차원상의 과도한 형성을 피면한다.

2. 작업 창 대폭 확장 ：SP는전략은 둔화제 농도 편차에 대해 높은 용인도를 가지고 있으며, 전통에 비해CP모드는 보다 넓은 적정 농도 범위를 제공하여 제조 공정의 재현성을 대폭 향상시킵니다.

3. 부품 성능

• 효율성 향상：n-i-p낮은 대역 갭PSC는달25.6%、p-i-n낮은 대역 갭PSC는달26.0%、p-i-n광대역 갭PSC는달23.0%、1cm2의대면적PSC는달24.5%

• 안정성 개선：1000시간 단축 노화 후에도 초과 유지80%초기PCE는, 초기 안정성이 훨씬 우수함CP부품

• 지체 현상이 감소하다.: 결함 둔화는 이온 이동을 효과적으로 억제한다

4. 광범위한 적합성 검증 SP는정책 적용 대상:

• 다른 부품 구조 (n-i-p、p-i-n）

• 다양한 칼슘 티타늄 (다른Br는함량)

• 다양한 제조 기술(2단계, 반용제 퇴적법)

• 다양한 제조 환경 (질소, 공기)

• 다양한 장치 면적 (대용량 장치에 더 효과적)

• 침포법을 통해 실현할 수 있으며, 공업화 잠재력을 갖추고 있다

실험 절차와 과정

그림 4j

1. 칼슘 티타늄 박막 제조 두 가지 주요 퇴적 방법 을 채택하여 검증 하다SP는정책 적합성:

• 이보법: 계층형 스핀다운PbI2는용액과FAI / MACl용액 후 퇴화, 적용n-i-p화p-i-n구조의 낮은 대역 틈 및 광대역 틈 칼슘 티타늄

• 반용제 퇴적법: 전구체 용액을 회전하여 바르는 과정 중 반용제(회향에테르 또는 에틸산에테르)를 첨가하여 후퇴화

제조 환경은 질소 장갑 상자(고순도) 및 공기 환경(25-30%습도, 실제 생산 조건 시뮬레이션).

2. 부품 조립

• 기판 구조：ITO는또는자유로운 구현유리 기판 에 전자 가 퇴적 하다/전동 전송층 (SnO2는、2PACz、NiOx/Me-4PACZ는등)

• SP는둔화 처리: 고농도 암모늄염 둔화제(PEAI는등) 에 녹는다국제 텔레비전 축제중간 회전으로 칼슘 티타늄 표면에 도포한 후FIPA/Ipan혼합 용제는 헹구어 여분의 분자를 제거한다.p-i-n구조 부품은 짧은 저온으로 퇴화해야 한다.

• 대체 방법: 스핀다운 대체 침포법의 타당성 검증

• 전극 완성: 퇴적 구멍 전송 재료 (Spiro-OMeTAD는) 또는 전자 추출 레이어 (LiF/C60/BCP는), 마지막 금속 도금 전극

3. 성능 테스트 표준 조건에서 측정J-V는특성 커브, 획득PCE는、VOC는、JSC는、FF는등 주요 매개 변수입니다.모든 측정은 사전 처리되지 않았으며 특별히1cm2의대면적 부품은 공업화 잠재력 평가를 진행한다.

표징 방법과 결과

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

칼슘 티타늄 박막 결함 둔화 효과와 비방사성 복합 손실 억제 능력을 평가하고,QFLS는직접 연관 장치 향상VOC는화FF는개선하다.

경100 mM PEAI/FIPA처리된 칼슘 티타늄 박막QFLSfilm은개선 폭이 달하다17.5 mV보다 월등히 우수함PEAI/IPA는처리의12.8 mV의. 세척 절차는PEAI는분말 용해 또는2D상강해로 개선 폭을 낮추지만IPA는세척 후의QFLSfilm은개선 폭 이 약간 높다국제 텔레비전 축제세척。SP는처리 후 필름QFLSfilm은지속적인 개선,PL는스펙트럼에서 뚜렷하게 관찰되지 않았다2D상 발사봉, 둔화 효과 안정 확인.

그림S 12는 전시100 mM PEAI/FIPA화PEAI/IPA는처리필름은 세척되지 않고국제 텔레비전 축제청소,IPA는세가지 조건하의QFLSfilm은대비를 개선하다.PEAI/FIPA는세척되지 않은 샘플 최대 개선치 표시(17.5 mV), 서로 다른 용제 처리와 세척 절차가 결함 둔화 효과에 미치는 영향을 직관적으로 나타낸다.

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전류 밀도-전압(J-V)커브

태양전지의 핵심성능매개변수를 표징하여 부품의 전하전송과 전반 태양광성능을 반영한다.

SP는전략은 각종PSC는의PCE는표현.Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n구조 부품 경과PEAI-SP는처리 후,PCE는도달25.5%（VOC = 1.17 V，FF = 83.00%，JSC = 26.30 mA cm^-2）。이 전략은 칼슘 티타늄을 서로 다른 그룹(20%의 FAPbBr₃또는40% MAPbBr₃혼합), 서로 다른 제조 방법 및 서로 다른 환경은 모두 우수한 통용성을 보여준다.SP는둔화는 지체 현상을 효과적으로 낮추는데 결함의 둔화가 이온의 이동을 억제하기 때문이다.

그림4A는 참조 부품 및PEAI-SP는처리의Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n구조 부품J-V는커브 대비 및PCE는통계 히스토그램.SP는프로세스 소자 곡선이 더 "정확하게", 표시충전 계수 및 전력 변환 효율 향상，PCE는중앙 집중식 배포 및 평균치 향상, 강조SP는디바이스 성능과 반복성을 향상시키는 데 있어 정책 효과가 뛰어납니다.

외부 양자 효율(외부 양자 효율성, EQE)

서로 다른 파장의 빛에 의해 입사 광자를 출력 전류로 변환하는 효율은 부품의 스펙트럼 응답 능력과 태양광 이용의 유효성을 직접 반영한다.측정 채택EnliTech QE-R는양자 효율 측정 시스템。

EQE는스펙트럼 데이터 지원J-V는곡선 측정의JSC는값, 각 스펙트럼 영역에서 부품의 성능 표현을 한층 더 검증하고 확인한다SP는정책 처리 후 부품의 광전 변환 능력.

그림S 22a는 전시Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n구조 부품EQE는스펙트럼장치는 가시광선 및 근적외선 영역 (약300-850 nm) 표시고양자 효율, 피크 근접90%, 부품이 이 파장 범위에서 고효율 광 흡수 및 전하 수집 능력을 가지고 있음을 확인합니다.

최대 전력점 추적(MPP 추적)

항정광조와 편치전압에서 부품의 전류출력이 시간에 따라 변화하는것을 감시하고 장기적인 운행안정성을 평가하며 특히 로화를 가속화하는 조건에서의 성능표현을 평가한다.

시뮬레이션 가속 노화 테스트 조건에서 (65°C、N₂장갑 상자0.8배 태양 광선),SP는전략은 안정성을 보여준다.SP는부품은1000시간 테스트 후에도 초과 보존80%초기PCE는, 전통적 둔화(CP)부품은 처음에260시간 내PCE는대조군보다 낮을 정도로 급격히 떨어진 것은 둔화제의 과도한 침투 때문이다.SP는부품의 초기 안정성이 훨씬 우수합니다.CP부품, 둔화제 침투 감소에서 비롯.

그림S 34는 패키지되지 않은 대조 그룹 비교,CP화SP는부품이 노화 가속화 테스트에서 귀일화되다PCE는시간에 따라 변화하다.SP는부품PCE는감쇠 속도가 가장 느려 최적의 장기 안정성을 보여준다, 그리고CP부품은 테스트 초기에 뚜렷한 성능 저하를 보였다.

기타 표징

1. 각분별X방사선 광전자 스펙트럼(AR-XPS) : 칼슘 티타늄 박막에서 둔화제 분자의 깊이 분포와 투과 능력을 분석한다.확인FIPA-SP는패턴은 심층을 효율적으로 제거합니다.PEAI는, 표면 잔류가 가장 적어 둔화 중복성을 강화한다.(그림1D)

2. X방사선 회절(XRD) : 칼슘 티타늄 박막의 둔화제 처리 후의 결정 구조 변화와2D서로 형성되다.확인국제 텔레비전 축제현저한 억제PEAI는파우더 피크 및2D상이 형성되어 상변의 발생을 효과적으로 억제한다.(그림1e)

3. 광학 발광 스펙트럼(PL) : 비방사성 복합 손실 억제 상황을 평가하고,PL는강도는 결함 둔화 효과를 반영한다.표시국제 텔레비전 축제둔화제 분자 제거 능력이 있고,IPA는볼륨비 증가 시PL는강도가 점차 강해지다.(그림3g)

4. 전자현미경을 스캔하다(SEM) : 칼슘 티타늄 박막의 표면 형태 변화를 직접 관찰, 특히PbI는₂풍부한 지역 전환 상황.확인국제 텔레비전 축제억제PEAI는반응성, 처리 후PbI는₂리치 영역(밝은 영역)여전히 부분적으로 존재한다.(그림1g)

5. MRI 스펙트럼(NMR)화 부립엽 변환 적외선 스펙트럼(FTIR) : 연구 용제,PbI는₂둔화제 배합체와 분자 상호작용 메커니즘.확인국제 텔레비전 축제중불소 원자는 암모늄 둔화제와 강한 수소 결합을 형성하여 경쟁성이 저차원 형성을 방해한다.(그림2f)

6. 태양광 파라미터 통계 분석 : 평가SP는정책의 공통성, 반복성 및 적용 가능성확인SP는전략은 다양한 장치에서 뛰어난 성능을 발휘하며,1cm2의대면적PSC는의PCE는에서21.6%다음으로 올리기24.5%。(그림S 24a)

결론

연구팀이 개발에 성공하다포화 둔화 (SP는) 정책, 효과적인 해결PSC는전통적인 둔화 방법은 표면 상태 변이로 인한 효과 불일치 문제로 인해 부품의 효율, 안정성 및 재현성을 크게 향상시킵니다.

핵심 혁신 혁신:

1.FIPA용제의 핵심 역할: 불화 이소프로필알코올(국제 텔레비전 축제) 기존 이소프로필렌글리콜에 비해 둔화제 분자와 칼슘 티타늄 반응 활성을 현저히 낮춘다 (IPA는) 결함이 둔화되고 전하 전송이 방해되지 않도록 합니다.국제 텔레비전 축제운영 창을 넓혀 정책이 둔화제 농도 변화, 퇴적 방법 및 호환 둔화제에 대한 높은 내성을 가지고 우수한 범용성을 보여주도록 합니다.

2. 부품 성능: 여러 가지 효율성 향상:n-i-p낮은 대역 갭PSC는달25.6%、p-i-n낮은 대역 갭PSC는달26.0%、p-i-n광대역 갭PSC는달23.0%、1cm2의대면적PSC는달24.5%。SP는정책은 더 넓은 둔화제 농도 작업 범위를 제공합니다 (20-100 mM PEAI농도에서 효율이 안정적으로 유지되다25%), 지체 효과를 효과적으로 억제하여 대면적 부품의 성능을 현저하게 개선한다.

3. 우수한 안정성: 가속 수명 테스트 중(65°C、0.8태양빛,N₂환경),SP는부품1000시간 후에도 초과 유지80%초기PCE는, 기존 둔화 (CP) 부품이 앞에 있음260시간 내에 현저하게 쇠퇴하여, 심지어 미처리 대조 그룹보다 못하다.SP는전략은 둔화제의 과도한 침투를 효과적으로 감소시킨다.

4. QFLS획기적인 개선：SP는처리 필름 디스플레이 지속QFLS는개선,100 mM PEAI/FIPA처리된 필름QFLSfilm은개선 폭이 달하다17.5 mV보다 월등히 우수함PEAI/IPA는의12.8 mV의, 회로 전압 손실을 줄이는 데 재현 가능한 효과를 보여줍니다.

출처: Nature Energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z

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