연구 배경과 도전

•고효율 칼슘 티타늄 태양 전지의 도전 핵심: 비록 금속 할로겐화물 칼슘 티타늄은 광전 특성으로 인해 태양 전지의 성능을 대폭 향상시켰고,PSC는의전력 변환 효율 (PCE는）끊임없이 리론의 극한에 접근하고있지만 그 최적화과정에는 여전히 뚜렷한 장애가 존재한다.

•소분자 전동 선택성 재료의 고유한 문제:

。 균등한 퇴적과 분자 집합 문제: 기존의 소분자 전동 선택성 재료, 특히 용액 제조 공정에서는 실현하기 어렵다균등하게 퇴적하다.유효분자 집합 을 억제 하다. 예를 들어, 일반적인Me-4PACz는분자는 용액에서 현저하게 모이고, 그 입경은 저장 시간에 따라 현저하게 증가한다.

。 효율성, 재현성 및 안정성의 부정적인 영향: 이런 불균등한 퇴적과 분자 집적 문제는 배터리에 대한효율성, 재현성및장기적인 운영 안정성심각한 손해를 입히다.

。 산업화 및 대규모 생산 방해: 분자 집합은 전구체 용액의운영 수명, 또한 심각한 장애물산업 규모의 연속화 공정, 이것은PSC는상업화의 관건적인 도전으로 밀고 나가다.

•에너지 손실 및 결함 문제:

。 소분자 재료는 칼슘 티타늄 광층과 기판 인터페이스의결함 형성그리고인터페이스 전하 전송 효율의 부족으로 인해비방사성 복합, 나아가 부품의회로 전압 (VOC는）및 전반적인 성능

。 기존 부품의준페미 에너지 단계 분열 (QFLS는) 값이 높지 않을 수 있으며전기 발광 양자 효율 (EL-EQE는) 가 상대적으로 낮은데, 이는 모두 부품 내부의 에너지 손실과 결함 밀도를 직접적으로 반영한다.

연구팀 및 주요 성과

그림 3i

이 연구는홍콩도시대학 화학과 주종룡(조 ( Zonglong Zhu)教授、증효성(Xiao Cheng Zeng)教授및화중과학기술대학 화학과 화공대학 이충안(중안 리)教授팀, 국제 최고 저널에 발표 자연 광학。

칼슘 티타늄 해결을 위한 태양전지(PSC는) 중전동 선택적 접촉층 재료의 분자 집적과 퇴적 불균등 문제, 이로 인한 효율, 재현성과 안정성 저하 등의 도전을 연구진이 개발하여 함께 퇴적한다신형의p형소분자D4PA는, 칼슘 티타늄 박막과 동시에 형성,D4PA는분자 설계의 관건은 그 분자 안에 있다C–C우연. 이러한 짝짓기 설계는D4PA는칼슘 티타늄과 기판과 견고한다중 비트 앵커 상호 작용, 인터페이스 전하 전송을 효과적으로 강화하고 칼슘 티타늄 광층 내부의 결함 형성을 억제한다; 동시에,C–C우연히 도입된 공간 비트 저항D4PA는왜곡된 분자 구조를 보여 분자의 집합을 효과적으로 억제했다.

채택D4PA는의 디바이스가 소규모 디바이스에서 구현됨 26.72%인증 전력 변환 효율(PCE)화26.14%인증 최대 전력 포인트 추적(MPPT)효율.

유효 영역에서10.86 cm2 의 미니 모듈에서,PCE는도달23.37%, 인증MPPT는효율 달성22.66%. 이 장치는 최대 출력 지점에서 계속 작동합니다.2,500시간그런 다음 계속 유지초기 효율성의97.2%이상。

실험 과정과 절차

그림 3f

· 신형 전동 선택성 재료가 성공적으로 합성되었다: 우선 다단계 유기합성반응을 통해 핵심재료를 성공적으로 제조하였다 D4PA는분자。

· 전구체 용액 배합을 최적화하여 공동 퇴적을 실현하다.: 구현을 위해D4PA는칼슘 티타늄 박막과의 공동 퇴적, 연구팀은 특정 농도의 D4PA는(소면적 장치는0.35 mg/mL, 미니 모듈은0.32 mg/mL) 칼슘 티타늄 전구체 용액에 직접 혼입, 형성함D4PA는칼슘 티타늄 잉크입니다.이 단계에서는D4PA는칼슘 티타늄 광층에 균일하게 분산되어 융합될 수 있다.

· 고효율 소면적 부품 제조 실현: 세척 및 사전 처리ITO는유리 기판 후,D4PA는의 칼슘 티타늄 전구체 용액회전 도료법은ITO는기판 위, 회전 코팅 회전 속도와 반용제 적출 시간을 제어하여 균일한 칼슘 티타늄 박막을 형성한 후 열 퇴화 처리를 한다.이어서, 순서에 따라 전자 전송층을 도금한다.(C60, BCP)및 은전극, 금속 차폐로 정의0.0412 cm2의의 부품 면적입니다.

· 확장성 모듈 공정 검증: 인증용D4PA는대면적 제조 공정에서의 응용 잠재력, 연구팀은 칼슘 티타늄 전구체 배합을 조정하고 대규모 생산에 더 적합한스크래치(블레이드 코팅)포함D4PA는의 용액을ITO는유리 기판 위. 코팅 후 열퇴화를 하고 후속 전극층을 도금한다.모듈을 형성하기 위해 셀을 정의하기 위해 두 번의 레이저 그리기도 했다.

· 장기적인 안정성 및 성능 종합 평가: 제조가 완료된 소면적 부품과 미니 모듈은 질소 분위기 장갑 상자 안에서 시뮬레이션 태양광에 비추어진행J-V는커브,EQE는화MPPT는등 성능 테스트. 또한 패키지된 부품을 수천 시간 동안 MPPT는지속적인 운영 안정성 테스트장기적인 운영 안정성을 평가합니다.

표징 방법과 결과

준페르미 에너지 계단 분열QFLS는

칼슘 티타늄 박막 중의 비방사성 복합 손실을 계량화하고, 부품 내부에서 실현할 수 있는 최대 회로 전압을 직접 반영한다(VOC)。QFLS는값은광학 발광 양자 생산율(PLQY) 및 암흑 복사 복합 포화 전류 밀도(J0, 라드)계산해 내다.

D4PA는기본 부품의QFLS는항상 높은 값Me-4PACz는기초 부품, 이것은 한층 더 실증되었다D4PA는유효결함 억제그리고비방사성 복합 개선. 에서100 mW cm의^-2 조명 아래, 부품의VOC는와QFLS는그 차이는 거의 무시할 수 있으며 이는 인터페이스 전압 손실이 매우 낮다는 것을 나타냅니다.

그림 4e:표시Me-4PACz는화D4PA는칼슘 티타늄 박막은 빛의 강도에 따라QFLS는커브

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Enlitech QFLS-Maper는경제적인1/5투자 비용으로 실현 가능매핑기능 및 생성QFLS는영상, 준페미급분포의 전모를 직관적으로 나타내고 재료의 품질우열이 즉시 나타난다!

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전류-전압 특성J-V는커브

태양전지의 전체 광전 변환 성능을 평가하다.사용광염 과학 기술Enlitech는제논 라이트 시뮬레이터(SS-F5), 현재SS-X), 정렬 광원 강도는100 mW cm의^-2, 그리고키슬리 2400소스 테이블양방향 (-0.1 V에1.35 V의) 및 역스윕 (1.35 V의에-0.1 V) 측정을 수행합니다.미니 모듈의 경우 검색 범위는-0.1 V에6.2 V의。

l 소면적 부품의 성능이 현저하게 향상되다.：D4PA는기본PSC는실현26.83%의효율성비율 (인증된26.72%）보다 월등히 우수합니다.Me-4PACz는참조 부품의24.97%최적D4PA는부품의회로 전압(VOC)도달1.200V(인증 값1.197 V）, 단락 전류 밀도(JSC)위26.11 mA cm의^-2(인증 값26.21 mA cm의^-2）, 채우기 계수(FF)위85.63%(인증 값85.17%）。

l 모듈식 성능 검증: 유효 영역에서10.86 cm2의의 칼슘 티타늄 미니 모듈에서 구현 PCE 23.37%및 인증된MPPT는효율22.66%, 확인D4PA는확장 가능한 공정에서의 잠재력.

그림 3a:사용 표현Me-4PACz는화D4PA는으로HSC는최상의 성능 장치의J-V는커브

그림 3b:표시D4PA는베이스 부품의 인증J-V는커브

그림 3g:보여줬어D4PA는기본 미니 모듈의J-V는커브

외부 양자 효율EQE는

태양전지가 서로 다른 파장에서 입사 광자를 전자 전류로 변환하는 효율을 측정하고 부품의 단락 전류 밀도를 계산하는 데 사용할 수 있다(JSC). 또한,고감도EQE는 부품을 평가하는 데 사용할 수 있는 암흑 복사 복합 포화 전류 밀도 측정(J0, 라드). 사용광염 과학 기술Enlitech는의QE-R EQE를시스템외부 양자 효율 측정을 하다.고감도EQE는 사용광염 과학 기술Enlitech는의PECT-600는시스템(현FTPS), 전류는 잠금 증폭기를 통해 증폭되고 변조된다.

D4PA는기본 및Me-4PACz는기본 부품의EQE는스펙트럼은 그 통합 전류 밀도가 비슷하다는 것을 보여준다.고감도EQE는측정 디스플레이,D4PA는부품의 J0, 라드위5.41 × 10^-21mA cm의^-2, 보다 현저히 낮음Me-4PACz는부품의9.87 × 10^-21mA cm의^-2, 이것은D4PA는부품의 비방사성 복합을 효과적으로 낮추었다.

그림 3e:구현Me-4PACz는화D4PA는부품의EQE는스펙트럼

그림 53:표시Me-4PACz는화D4PA는기반PSC는의 높은 감도EQE는커브

전기 발광 양자 효율EL-EQE는

전기 발광 모드에서 부품의 에너지 손실을 직접 계량화EL-EQE는값은 부품의 비복사 복합 손실이 낮음을 나타냅니다.통과광염 과학 기술Enlitech는의ELCT-3010은계기(현REPS)외부 전압을 가하다/전류원을 측정하다.

D4PA는기반PSC는의EL-EQE는최대 15.25%, 훨씬 높음Me-4PACz는의6.23%. 이것은 증명한다D4PA는부품의 에너지 손실을 효과적으로 감소시켰다.

그림 4f:비교Me-4PACz는화D4PA는기반PSC는발광 다이오드 모드에서의EL-EQE는스펙트럼

최대 전력점 추적MPPT는안정성 테스트

평가 패키지는 연속적으로 태양 광선을 시뮬레이션합니다 (1 태양) 하에서 최대 출력점에서 지속적으로 운행하는 장기적인 조작 안정성.포장 후의PSC는공기 분위기, 실온에서1태양 등효LED는등잔 밑으로 운행하다.사용다전위차계최대 출력점의 출력을 추적하고ISOS-L-1은협의.

D4PA는기본 부품은 최대 출력 지점에서 연속적으로 작동하는 작동 안정성을 보여줍니다. 2,500시간 후에도 초기 효율성 유지97.2%이상, 비교 부품보다 훨씬 우수합니다 (2,500시간 후82.7%）。

그림 3i:최대 출력 지점에서 패키징 부품의 연속성을 보여줍니다.오전 1.5 G시뮬레이션 태양 광선의 귀일화PCE는변천하다.

기타 표징

밀도 범함 이론 계산(DFT는계산) 계산 예측D4PA는분자 구조와 인터페이스 키 조합 행위, 결과 표시D4PA는2비트 앵커와 낮은 분자 간 키 조합(-1.5 eV vs Me-4PACz)의-2.356 eV)분자의 집합을 효과적으로 억제하다.(Fig.2g)

X방사선 광전자 스펙트럼(XPS) 재료 표면의 화학 상태를 분석하고,D4PA는박막 중Pb는특징봉의 뚜렷한 편이는 칼슘티타늄광층과 더욱 강한 계면상호작용이 존재한다는것을 실증하였다.(그림 2a)

부립엽 변환 적외선 스펙트럼(FTIR) 추적 분자 진동 모드는 온도 변화에 따라D4PA는의P=O진동봉은 저온에서 변위가 발생하여 안정을 유지하는데 이는 초기에 강고결합이 형성되였음을 표명한다.(그림 2c)

켈빈 탐침력 현미경(KPFM) 표면 전위 분포를 측정하여D4PA는박막은 가열한 후에도 균일하고 안정된 표면 전위를 유지하여ITO는키 조합 열 안정성 향상.(그림 15)

비행 시간 이차 이온 스펙트럼(TOF-SIMS) 요소의 깊이 분포를 분석합니다.P+는신호 표시D4PA는전체 칼슘 티타늄 광층에서 균일하게 분산되어 인터페이스에 모이지 않는다.(그림 1b)

동적 광 산란(DLS) 용액 중의 분자 집결 행위를 모니터링하고,D4PA는에서12시간 후 입경은62 nm증가102 nm, 현저히 낮음Me-4PACz는의211nm증가405 nm。(그림 2i)

입사 광각X방사선 산란과X방사선 연사(GIWAXS/XRD) 표징 박막 결정 구조,D4PA는낮음q값구역의 산란강도가 뚜렷이 약화되여 고도의 무질서한 비결정상구조를 형성하였다.(그림 24)

편광 관련 라만 스펙트럼 분자 배열 취향을 탐지하여 한층 더 실증하다.D4PA는독특한 구조는 분자의 질서정연한 스택을 억제한다.(그림 27)

광학 발광 매핑과 시간 분별 광학 발광(PL)매핑/TRPL） 전하 추출 효율 평가,D4PA는박막은 더욱 균일한 저강도를 나타낸다PL는분포, 캐리어의 수명이 현저하게 단축된 것은 전동 추출 효율이 향상되었음을 나타낸다.(그림 4a-c)

트랩 상태 밀도 분석(tDOS는분석) 트랩 상태 밀도 계량화,D4PA는베이스 부품이 깊은 트랩 영역에 있음(0.4-0.5 V)낮은 표시tDOS는심층 결함을 효과적으로 둔화시키는 것을 증명한다.(그림 4d)

결론

연구는 도입을 통해신형의p형소분자D4PA는, 칼슘 티타늄 태양 전지 (PSC는) 분야에서 획기적인 연구 성과를 거두어 현저하게 향상되었다효율성, 안정성 및 공정 타당성。

· 독특한 분자 설계와 작용 메커니즘：

o D4PA는일종의이중합체p형소분자, 그分子内C-C짝짓기두 개의 톨루엔 병합[c, g]카르바졸(DBC는) 유닛 간에 강력한공간 저항。

o 이런 구조는D4PA는보유강성 구조, 그리고분자 내 수소 결합한층 더 안정되다.

o D4PA는능히ITO는기저와 칼슘 티타늄 광층 형성강력한 멀티-비트 앵커특히듀얼 터미널 (2T는) 앵커 구성。

· 분자 집합을 효과적으로 억제하다.：

o D4PA는의 저분자 간 결합 에너지 (약***-1.495 eV**), 강력한 공간 저항력 입증분자 간의 집합을 효과적으로 억제하다.。

o DLS는、GIWAXS는화XRD는분석 결과,D4PA는전구체 용액에서더욱 낮은 집적 추세그리고고도의 무질서한 비결정 구조분자의 질서있는 스택과 결정을 효과적으로 억제한다.

o 이건 확실해D4PA는칼슘 티타늄 잉크에서균등 분산그리고 전구체 용액의운영 수명。

· 인터페이스 상호작용 및 둔화 결함 강화：

o XPS는화FTIR분석 디스플레이D4PA는칼슘 티타늄 광층과향상된 인터페이스 상호 작용그리고 결정 입자의 성장 초기에 형성된다견고한 결합。

o D4PA는의2T는앵커 구조 에너지칼슘 티타늄 표면의 심층 결함을 효과적으로 둔화시키다(예: 요오드 공백, 요오드 간격 및 요오드/납 반위), 함정 상태의 밀도를 현저하게 낮춘다.

o PL는이미지 및리드 시퀀스데이터 표시,D4PA는박막의전동 추출 효율이 향상되고 더욱 균일하다。

o D4PA는기본 부품의준페미급 파열(QFLS는) 값은 항상 높음결함 억제와 비방사능 복합 개선을 한층 더 검증했다.

· 부품 성능：

o 기반D4PA는의 칼슘 티타늄 태양 전지 구현최대26.83%의효율성율（인증 효율성:26.72%), 대조 부품을 현저하게 능가한다.

o 최적 장치의 회로 전압 (VOC는) 달성1.200V, 단락 전류 밀도 (JSC는) 은 (는)26.11 mA cm의^-2, 채우기 계수 (FF는) 은 (는)85.63%。

o 인증 최대 전력점 추적 (MPPT는) 효율성 달성26.14%。

· 뛰어난 장기 안정성：

o 포장 후의D4PA는베이스 부품은 최대 전력 포인트에서 작동 안정성을 보여줍니다 (MPP는) 연속 실행2,500시간 후에도 초과 유지97.2%초기 효율성。

o D4PA는박막과ITO는의 키 조합 열 안정성이 향상되었습니다.

o D4PA는칼슘 티타늄 잉크는 저장 기간이 더 길고,12시간 저장 후,D4PA는평균적인 장치 효율은 약간 떨어짐0.32%, 참조 잉크 부품이 떨어졌습니다.1.81%。

· 대규모 공정의 타당성을 실현하다.：

o 본 연구는스크래치유효 영역은 성공적으로 만들어졌습니다.10.86 cm2의의 칼슘 티타늄 미니 모듈, 그효율 달성23.37%（인증MPPT는효율성은22.66%）。

이 성과는 전시되었다D4PA는에서상업화 연속 공정을 간소화하다.고효율, 확장 가능한 칼슘 티타늄 태양 전지 방면의 거대한 잠재력.

문헌 참조: nature photonics_DOI: 10.1038/s41566-025-01725-x

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