어려움과 도전을 연구하다

기존 고효율 전하 선택적 접촉층 (예: 자체 조립 단일 분자층,SAM은) 대부분 좁은 에너지 틈 칼슘 티타늄 태양 전지에 최적화되어 있으며, 그 에너지 단계 특성은 넓은 에너지 틈이 아니다 (WBG는) 칼슘 티타늄 재량 설계.이런 인터페이스는 계급이 맞지 않아 심각한 비방사성 복합을 초래하여 직접 회로 전압 손실과 충전 인자 저하를 초래하여 부품의 전체 전력 전환 효율을 심각하게 제한하였다.

본 연구의 핵심 과제는 체계적이고정확하게 조절하다SAM은에너지 단계, 및WBG는칼슘 티타늄 광층 도달최적 일치, 따라서인터페이스 복합 손실 감소, 전하 추출 효율 향상, 개선WBG는칼슘 티타늄 광자 전지 및 중첩 전지의 전반적인 성능.

연구팀 및 발표

이 획기적인 연구는절강대학의 설정정 교수와데렌 양教授공동 지도, 연구 성과는 국제적으로 명성이 자자한 학술지에 발표되었다 자연 커뮤니케이션. 팀은 분자 구조에서유도 효과, 정확하고 체계적인 조정SAM은의 에너지 계수 및 이를 기반으로 고효율 에너지WBG는칼슘 티타늄 단결전지와기록적인 효율의 칼슘 티타늄/ TOPCon배터리 중첩。

연구 성과와 볼거리

l 핵심 혁신: 분자 구조의'유도 효과'를 성공적으로 활용(유도 효과)"자체 조립 단일 분자층을 정확하고 체계적으로 조절(SAM)의 에너지 단계。

l 구현SAM은에너지 레벨 최적화로 넓은 에너지 갭 일치(WBG)칼슘 티타늄 광전지의 수요, 에너지 계수 실조로 인한 효율 병목 현상을 해결했다.

l 전자 기단에 강한PyAA-MeO SAM은가장 유리한 계면 정렬 기능 구축공혈 추출을 크게 촉진하고 비방사성 복합 손실을 대폭 줄였다.

l 고효율의WBG는칼슘 티타늄 단결 전지, 전력 변환 효율(PCE)최고 도달22.8%및 높은 회로 전압(VOC)및 채우기 계수(FF)。

l 부품 은 우수한 안정성 을 보여 준다, 조명, 열 응력, 최대 출력 점 추적 등 다양한 가속 노화 테스트에서 뛰어난 성과를 보였다.

l 최적화 기반SAM은, 효율적인 칼슘 티타늄 광산을 성공적으로 구축/ TOPCon배터리 레이어, 구현31.1%전력 변환 효율(타사 인증:30.9%)。

l 분석을 통해PLQY는결과 추출 및 계량화준페르미 에너지 계단 분열(QFLS)의 이득，PyAA-MeO는섞기의 칼슘 티타늄 박막이가장 큰QFLS는이득(48.1 meV), 태양광 부품에서 관찰된 가장 높은VOC는표현이 맞아떨어지고,비방사성 복합 손실의 감소를 반영하였다。

l 이 중첩 전지 효율은 현재 이미 보도된 칼슘 티타늄 광산이다/ TOPCon계층형 배터리의 높은 효율성 중 하나。

그림 4e

실험 과정과 절차

그림1ab

분자 설계 및 합성 연구팀은 피렌 핵심 구조에 기반한 아크릴 앵커 기단을 가진 일련의SAM은분자, 포함PyAA는、PyAA-Br는、PyAA-Me는화PyAA-MeO는, 각 분자는 서로 다른 전자 특성 기능 기단을 가지고 있다.

SAM은박막 제조 작성할SAM은분자는 특정 용제에 용해되며, 회전 도료법을 통해ITO는기판에 퇴적하여 단분자 박막을 형성한 후 퇴화 처리를 하여 박막 구조를 안정시킨다.

칼슘 티타늄 박막 제조 에서SAM은수식의ITO는기판에는 넓은 에너지 틈 칼슘 티타늄 광산 전구물 용액을 조제하고, 회전 도료 및 반용제 처리 기술을 사용하여 칼슘 티타늄 광산 박막을 퇴적하고, 퇴화 처리를 한다.

단결 태양 전지 제조 로SAM은손질ITO는기저를 위해 순서에 따라 칼슘 티타늄 광층을 침적하고, 다시 열 증발 방법을 통해 전자 전송층을 침적한다(LiF는、C60은、BCP는) 및 은전극, 거꾸로 구조를 완성한 단결 칼슘 티타늄 태양전지.

중첩 태양 전지 제조 최적화된 와이드 갭 칼슘 티타늄 광자 전지 (기반PyAA-MeO는) 비즈니스로 통합TOPCon은결정 실리콘 전지.에서TOPCon은실리콘 기판 에 순차적 으로 퇴적 하다NiOx는레이어,SAM은, 칼슘 티타늄 광층, 표면 둔화층 및 중간층 (LiF는、C60은、SnO2는) 및 상단 전극 구조 (정보、Ag는、LiF는), 칼슘 티타늄으로 조립/ TOPCon레이어드 태양전지.

이론적 계산 보조 밀도 범함 이론과 제1성 원리를 이용하여 시뮬레이션을 계산하다SAM은분자가 있다ITO는표면의 구조와 상호작용은 실험관찰현상을 보조적으로 이해하고 실험설계를 지도한다.

표징측법과 결과

1.J-V특성 측정

연구팀이 시뮬레이션 사용오전 1.5 G스펙트럼(100 mW cm)-²)비추는 소스 측정 단위(키스리 2400)진행J-V는특성 측정.정확하고 신뢰할 수 있는J-V는측정에는 고품질의 태양광 시뮬레이터가 필요합니다.광염 과학 기술Enlitech SS-X는태양광 시뮬레이터, 그AM1.5G는필터는 첨단 플라즈마 퇴적 기술을 사용하여 높은 스펙트럼 정확도와 우수한 내구성을 제공합니다.

결과에 따라 다름SAM은의 넓은 에너지 갭PSC는, 그 평균 효율은PyAA-Br는의12.9%점차적으로PyAA-MeO는의22.1%. 여기서,PyAA-MeO는베이스의 부품이 가장 잘 표현되어 실현되었다22.8%의PCE는, 구비1.24 V의의VOC는、84.3%의FF는화21.8 mA cm의^-2 의JSC는。

그림4A는다양한 기반 제공SAM은의PSC는부품의J-V는커브,표1이러한 부품의 성능 매개변수를 요약했습니다.

그림4e레이어드 배터리를 보여드렸습니다.J-V는커브

2.외부 양자 효율(EQE)측량

다양한 파장 조명에 따른 배터리 캐리어 효율 측정, 검증J-V는측정 중의JSC는값.연구팀 사용Enlitech QE-R는외부 양자 효율 통합 시스템, 단락 조건에서 진행된 양적 측정은 자물쇠 증폭기와 전류 전치 증폭기를 사용했다.EQE는양적 측정은 서로 다른 스펙트럼 범위 내에서 배터리의 응답을 이해할 수 있다.광염 과학 기술Enlitech QE-R는양자 효율 측정 시스템, 높은 반복성(> 99.5%)또한 두 개의 독립된 이중 자물쇠 증폭기를 장착하여 광 출력과 부품 신호를 동시에 모니터링할 수 있다.

그림4B 비교 기준PyAA는화PyAA-MeO는의 부품의EQE는커브PyAA-MeO는기저 부품의EQE는곡선은 더 높은 응답을 보여줍니다. 적분 계산은JSC는값은21.0 mA cm의^-2, 보다 높음PyAA는기저 부품의20.2 mA cm의^-2。EQE는적분 전류의 상승은 개선된 에너지 정렬로 인한 것이다더 효과적인 빈 공간 추출。

그림4F 칼슘 티타늄이 나왔어요./실리콘 중첩 부품 중WBG는자전지와 실리콘자전지의EQE는곡선, 적분JSC는값은 각각19.8 mA cm의^-2 화19.7 mA cm의^-2。

3.준페르미 에너지 계단 분열(QFLS)및 관련 광학 표징

QFLS (Quasi-Fermi 레벨 스플리팅)광선 하에서의 광선 캐리어의 비균형 에너지 레벨 분포를 설명하며, 재료의VOC는잠재력, 그리고 비방사성 복합 손실의 출처를 이해하는 데 도움이됩니다.연구팀 은 서로 다른 근거 에 근거하여 측정했다SAM은칼슘 티타늄 박막의PLQY는. 연구팀이 사용Enlitech LQE-50-EL (LQ-50)전기 발광 외부 양자 효율 시스템, 수집EQEEL은。

통과PLQY는측정, 연구 결과 그 값이SAM은관능단은 전자 능력을 증강시켜PyAA-Br는의0.70%상승PyAA-MeO는의5.71%.이에 근거하여 추산한 준페미능계분열(QFLS)향상된 값도 같은 추세를 보이고 있습니다.PyAA-Br는의17.2 메이보트증가PyAA-MeO는의48.1 메이보트， PyAA-MeO는최대를 보여주세요.QFLS는향상된이 장치의 최대 회로 전압과(VOC)고도로 일치하다.또한, 전체 부품의EQEEL은측량은 한층 더 실증하고,EQEEL은값은 관능단이 전자 능력을 강화함에 따라 향상되며,PyAA-MeO는부품의 전압 손실(ΔV)최소(전용0.18 mV). 이러한 우수한 광전 성능 포인터는 인터페이스 에너지 정렬에 유리한효율적인 빈 공간 추출그리고인터페이스 전하 복합 대폭 감소。

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4.순식간 광전류(TPC)감쇠량 측정

단락 조건에서 캐리어 (공혈) 의 추출 동력학을 연구하다.전자 메틸 산소 기단 유도 효과에 가져오는 인터페이스 에너지 정렬 최적화는 빈 구멍의 빠른 추출을 효과적으로 촉진합니다.(그림3d)

기타 표징

1.X방사선 연사(XRD)：칼슘 티타늄 박막의 결정 품질을 평가하다.각 샘플의 피크와 강도는 거의 동일하며 거의 관찰되지 않았습니다.PbI는₂ 의 봉33서로 다른 관능단이 칼슘 티타늄 광산의 결정에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다.(그림2a)

2.2D 스윕 광각X방사선 산란(2D GIWAXS)

칼슘 티타늄 박막이 서로 다른 기저에 퇴적된 결정의 취향을 연구하다.모든 네 가지 상황에서 칼슘 티타늄 박막의 결정체 취향은 비슷하다.이것은 한층 더 실증되고 변화되었다SAM은관능단은 칼슘 티타늄 박막의 결정과 취향에 뚜렷한 영향을 미치지 않는다.(그림S 24)

3.전자현미경을 스캔하다(SEM)

칼슘 티타늄 박막의 표면 형상을 관찰하다.SAM은관능단의 수정이 위쪽에 퇴적된 칼슘 티타늄 광층 박막의 질량에 미치는 영향은 무시할 수 있다.(그림2b)

4.자외선-가시 스펙트럼(UV 비스 분광학)

칼슘 티타늄 박막의 광학 흡수 특성과 광학 밴드 갭을 평가한다.비슷한 스펙트럼 모양과 강도는 관능단의 변화가 칼슘 티타늄 재료의 광 흡수와 광학 밴드 갭을 바꾸지 않았음을 보여준다.(그림2c)

5.자외선 전자 스펙트럼(UPS)

가져오기SAM은수식의ITO는표면적인 에너지 수준 정보 및 분석SAM은칼슘 티타늄 계면의 에너지에 맞추다.관찰된 에너지 정렬 개선은 주로SAM은에너지 수준의 변화.(그림3b)

6.켈빈 탐침력 현미경(KPFM)

측정SAM은코스메틱 서피스의 서피스 전세 변화.표면 전세는 관능단이 전자에 주는 능력이 강화됨에 따라 낮아지는 것으로 나타났다. 이는PyAA-Br는에PyAA-MeO는의p형 행위가 갈수록 뚜렷해지다.(그림S 30)

7.시간 분별 광 발광（TRPL）

칼슘 티타늄 박막의 캐리어 동력학, 특히 전하 추출 과정을 연구한다.PyAA-MeO는기저 샘플의 미분 수명 곡선 중 첫 번째 간격이 가장 짧은데, 이 단락은 주로 전하 이동 과정의 주도를 받아 실증되었다PyAA-MeO는우수한 인터페이스 전하 추출 능력.(그림3c)

9.시간 구분PL는스펙트럼 및PL 매핑

칼슘 티타늄 박막의 광 안정성을 평가하다.조명 24 시간 후, 모든 샘플의PL는발사는 모두 비슷한 붉은 움직임을 보였다.이것은 증명한다SAM은중의 관능단이 넓은 에너지 틈의 칼슘 티타늄 광박막에 대한 상호 안정성에 대한 영향은 무시할 수 없다.(그림S 26.27)

10.최대 전력점 추적(MPPT)안정성 테스트(MPPT 안정성 테스트)

연속 조명에 따른 부품의 장기적인 안정성을 평가합니다.그림S 39은 제공MPPT는곡선을 추적하다.연구 보고서에 포장되지 않은 부품은60 °C다음 진행 400 시간MPPT는테스트 후, 기반PyAA-MeO는의 부품이 초과 보존되었습니다.99%초기 효율성재약 2500 시간에 따른 가속 노화 테스트를 통해 효율성 유지96%, 외부 자극에 대한 내성이 강화된 것으로 나타났다.

11.노화 테스트 가속화(가속 노화 테스트)

가속 조건에서 부품의 장기 수명을 평가하다.부품 예약 2500 시간 후에도 초과 보존 가능96%초기 효율성

연구 총결

정확한 조정SAM은능률적 전략 연구는 기능 기단 유도 효과를 이용하여 자체 조립 단분자층 에너지 단계를 정확하고 체계적으로 조절하는 전략을 성공적으로 개발하여 객제화 인터페이스가 특정 에너지 틈 칼슘 티타늄 광산과 일치하도록 관건적인 방법을 제공하였다.

최적화 인터페이스 에너지 계수와 전하 추출 전자에 강한 능력을 주는 메탄산소기단을 도입함으로써 (PyAA-MeO는), 최적화 성공SAM은넓은 에너지 틈 칼슘 티타늄 광물 사이의 인터페이스 에너지 계단과 맞추어, 전동 추출에 유리한 에너지 벨트 굴곡을 창조하여, 실험에서 실증하였다.PyAA-MeO는우수한 인터페이스 전하 추출 능력을 갖추고 있다.

단결WBG는칼슘 티타늄 전지의 고효율 에너지 에너지 최적화된PyAA-MeO는전동 선택층으로서 현저하게 향상되었다WBG는칼슘 티타늄 태양 전지 성능, 부품 도달22.8%의 광전 변환 효율은 주로 개선된 인터페이스 전동 추출과 낮아진 비복사 복합 손실 덕분이다.

비방사성 복합과 전압 손실을 효과적으로 낮추다. 최적화된 인터페이스 에너지 계단 조준과 고효율 전동 추출은 부품의 비복사 복합을 효과적으로 낮춘다.PLQY는、QFLS는、EQE_EL은테스트 모두 표시,PyAA-MeO는부품은 비방사성 복합 손실과 최소 회로 전압 손실을 가지고 있다.

고효율 중첩 태양 전지 실현 고성능WBG는칼슘 티타늄 광자 전지(채택PyAA-MeO는) 비즈니스에 통합TOPCon은결정 실리콘 전지, 고효율 칼슘 티타늄 광산 구축 성공/ TOPCon레이어드 태양전지.1cm²활성 면적 중첩 부품 도달31.1%효율성 (타사 인증30.91%),TOPCon은배터리 중첩 보도의 고효율 중 하나.

부품 안정성 표시PyAA-MeO는부품은 우수한 운행과 열 안정성을 보여준다.패키징되지 않은 부품은 노화 가속화 테스트에서 최대 출력점 추적, 지속적인 조명 및 지속적인 가열을 포함하며 장시간 운행 후에도 유지됩니다.96%-99%초기 효율성

SAM은칼슘 티타늄 박막에 미치는 영향은 경미하다 서로 다른 기능 기단의SAM은그 위에 퇴적된 칼슘 티타늄 광박막의 결정, 형태, 광학 특성과 광 안정성에 대한 영향은 매우 미미하며, 부품의 성능 향상은 주로SAM은칼슘 티타늄 박막 자체의 변화가 아니라 칼슘 티타늄 광과의 인터페이스 개선.

문헌 참조: nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59896-8

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