연구 배경과 도전

칼슘 티타늄 태양 전지 (PSC는) 비록 소면적부품에서 돌파적인 진전을 보여주었지만대규모 모듈 (PSM) 의 성능 병목 현상은 여전히 상업화의 관건적인 장애물이다, 그 근본적인 문제는대면적 칼슘 티타늄 박막 품질 제어의 어려움。

실험실의 불활성 환경에서의 소면적 제조에 비해대면적 제조는 복잡한 결정 동력학적 통제와 가혹한 환경 도전에 직면해 있다이로 인해 배터리에서 모듈에 이르기까지 상당한 효율성 손실이 발생합니다.주요 기술적 과제는 다음과 같습니다.

1. 공정 제어 복잡성: 용액 제조는 전구체 농도, 용제 특성 및 제조 공정 매개 변수의 정밀 조화와 관련되며, 이러한 요소의 상호 작용은 치밀하고 균일한 박막 형성을 도전적으로 만들고, 대면적 제조 공정에 필요한 넓은 조작 창을 제한한다.

2. 재료 안정성 모순: 헤모글로빈 (FA는) 또는 세슘(Cs는) 휘발성 메틸아민 대체 (MA) 열 안정성을 향상시키지만없음MA의FAC칼슘 티타늄 광산은 불량한 중간상이 생기기 쉬우며 결정 행위를 통제하기 어렵다; 과량Cs는결정 입자의 세화와 결정도의 저하를 초래할 수 있다.또한FA+이온의 큰 크기는 박막에 유해한 잔류 응변을 일으키기 쉽다.

3. 환경 민감성: 공기 중의 습기와 산소는 할로겐화 납 칼슘 티타늄 광산에 높은 반응성을 가지고 있으며, 파괴적인 상변과 구조 붕괴를 일으킬 수 있으며, 부품의 안정성에 심각한 영향을 줄 수 있다.

4. 研究策略局限: 기존 그룹 조정, 첨가제 공정 등 방법은 대부분 단일 방향에 집중한다.결정 제어 및 환경 안정성을 동시에 해결하는 통합 전략 부재, 제조 고품질 대면적FAC칼슘 티타늄 박막은 여전히 중대한 기술 도전이다.

연구팀

이 연구는화중과학기술대학 진위팀학술지에 발표하다《고급 에너지 재료》。연구진, 이중 기능 첨가제 도입 제안——메틸아세틸아미드(메르카프토아세타미드, MAA)에 대한 혁신적인 전략, 대규모 제조 중 칼슘 티타늄 박막의 품질 제어와 환경 안정성의 이중 도전을 동시에 해결하기 위한 것이다.

MAA는첨가제의 핵심 작용 메커니즘다음을 포함합니다.

• 결정동력학 조절: 결정 속도 지연, 공정 창 확장, 큰 결정 입자 형성 촉진 및 결정 취향 개선

• 결함 둔화와 품질 향상: 빈자리 결함을 효과적으로 둔화시키고 박막의 균일성과 결정도를 높인다

• 환경 보호 기능: 강한 환원성으로 공기 환경에서 수해 및 산화 손상으로부터 칼슘 티타늄 박막을 보호

통과MAA는칼슘 티타늄 성분과의 다중 상호 작용, 이 전략은 성공적으로 실현되었다결정 제어와 환경 안정성의 협동 최적화, 대면적의 고품질 칼슘 티타늄 광박막 제조에 효과적인 해결 방안을 제공했다.

실험 방법과 연구 절차

그림 6a

研究以이중 기능 첨가제 메틸 아세트아미드(MAA는）핵심으로 소면적부품에서 대면적모듈에 이르는 완전한 기술로선을 구축하고 리론계산과 결부하여 역할메커니즘을 깊이있게 해석하였다.

1. 핵심 재료 체계: 채택FAC칼슘 티타늄 시스템 (FAI는、PbI는₂、CsBr는), 코디C60은전자 전송 계층,폴리-4pacz자체 조립 단일 분자층 및 혁신적으로 도입된MAA는이중 기능 첨가제.

2. 공정 기술 노선：

l 기판 처리 및 기능층 제조：자유로운 구현기판 은 표준 세척 을 거친 후 순서 에 따라 퇴적 한다NiOx는전동 전송층 및SAM은인터페이스 레이어

l 칼슘 티타늄 광층 제조: 다른 농도를MAA는전구물 용액 도입, 채택칼날 도포법 퇴적, 진공 처리 와 열 퇴화 를 거쳐 고품질 박막 을 형성 하다

l 부품 완전화: 순차적 준비PEAI는둔화층,C₆₀/ BCP전자 전송 계층 및Cu전극.금속 전극을 제외한 모든 공정은 공기 환경에서 수행됩니다.

3. 규모화 검증: 프로세스를 다음으로 성공적으로 확장5 × 5 cm화14 × 14 cm대면적 기판, 레이저 밑줄 기술을 통해 하위 배터리 직렬 연결, 모듈 기하학적 충전 인자 달96%。

4. 이론 및 성능 검증: 밀도 범함 이론과 결합(DFT는) 계산 설명MAA는결함 억제 메커니즘, 광열 및 습열 조건에서의 장기 안정성 테스트, 첨가제 효과 전면 검증.

표징 방법과 성과

준페르미 에너지 계단 분열(QFLS)

준페미 에너지 단계 분열 (QFLS는) 는 재료의 회로 개설 전압 잠재력을 측정하는 핵심 지침이며, 동시에 비방사성 복합 손실의 출처를 밝혀낼 수 있다.본 연구는 빛을 통한 발광 양자 생산율(PLQY는) 측정정량 평가MAA는결함 둔화 효과。

결과 표시,경MAA는처리된 칼슘 티타늄 박막, 그PLQY는최대 값0.94%, 대조 그룹보다 훨씬 높음0.25%. 이는 박막 내의 비방사성 복합이 현저하게 감소했음을 나타내며, 부품 성능, 특히 회로 전압(VOC는)의 향상.에 따르면PLQY는값 계산,ΔQFLS는증가34.04 메이보트, 이 및 전체 장치VOC는의 증가 폭이 일치합니다.

그림 4g.유리 기판에 MAA가 없거나 MAA가 있는 페로브스카이트 필름의 PLQY 값.

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J-V는커브 측정(전류-전압 곡선)

J-V는곡선은 태양전지와 모듈을 직접 측정하는 데 사용된다광전 변환 효율(PCE), 단락 전류 밀도(JSC), 회로 전압(Voc)및 채우기 계수(FF)。

결과:

◦ 소면적 장치: 최적화MAA는처리된 소면적 칼슘 티타늄 태양전지(유효면적0.09 cm²), 구현25.52% PCE, 특정 매개변수는Jsc 24.76 mA cm⁻²、Voc 1.203 V화FF 85.68%. 대조적으로, 그룹 부품의PCE는위23.46%, 주요 원인Voc는화FF는의 현저한 저하.또한MAA는부품의 지연 지수 (H 지수) 은 (는)0.63%, 대조 그룹보다 월등한2.17%

◦ 중형 모듈: 프로그래밍을 다음으로 확장11.09 cm²의 모듈,MAA는처리된 모듈은 역방향 스캔으로 구현됨 22.87%의PCE는안정PCE는위22.48%), 해당Voc는위5.952V、Jsc 4.70 mA cm⁻²、FF 81.75%그리고 좋은 재현성을 보여준다.모듈의H 지수위1.48%, 대조 그룹은2.61% [S5]。

◦ 대규모 모듈: 더 넓은 면적 (113.00 cm²) 의 모듈에서MAA는처리된 부품도 실현되었다 20.18%의PCE는。

그림 6b.제어 및 MAA를 위한 제제제mpion PSC의 J-V 곡선

그림 6c.MAA 변경이 없거나 가진 I-V I I-MAA 변경이 없는 MAA 변경이 없는 I-V 곡선 (diaphragm area 11.09 cm2, 5개의 하위 세포)

그림 6f.MAA 변경을 가진 I-V MAA 변경된 I I I-V MAA 변경을 가진 MAA 변경을 가진 I I I I-V 곡선 (aperture area 113.00 cm2, 14 sub-cells)

태양전지의 효율 측정에서EnliTech는의SS-X AM1.5G는표준 스펙트럼 태양광 시뮬레이터제공안정적이고 정확한AM1.5G는라이트, 그 A+스펙트럼 등급새로운 태양 전지 (예: 칼슘 티타늄)/실리콘 중첩 전지)의 정확한 표징.

외부 양자 효율(EQE)스펙트럼

EQE는스펙트럼 측정 사용서로 다른 파장의 빛에 의해 입사 광자를 전자 (전류) 로 변환하는 부품의 효율을 평가합니다.. 검증할 수 있습니다.J-V는측정하여 얻은 것JSC는값은 다양한 스펙트럼 범위 내에서 부품의 응답 특성을 제공합니다.

결과 부품의EQE는스펙트럼 적분 JSC는값은23.73 mA cm의⁻², 및J-V는측정 결과가 일치합니다.(그림 S24)

태양 전지의 양자 효율 분석에 대해EnliTech는의QE-R는양자 효율 측정 시스템글로벌1,000다편SCI는논문 신뢰의 선택.제공 EQE / IQE / IPCE / SR테스트 능력, 구비 300-2500 nm의 넓은 파장 범위화보다 높음99.5%의 반복성。

기타 표징

박막 형태와 결정 구조 분석(SEM, AFM, XRD, GIWAXS) 평가MAA는칼슘 티타늄 박막의 미시적 구조에 대한 영향.MAA는도입 후 결정 크기199 nm증가386 nm, 박막의 거친 정도가 낮아지고,(100)정향 우선 취향이 강화되고 잔여 스트레칭이 현저하게 경감된다.(그림 2a-i)

캐리어 동력학 분석(PL, TRPL, FLIM) 결함 둔화 효과와 전하 전송 특성을 평가하다.MAA는처리 후PL는강도가 현저하게 강화되어 캐리어 수명이366.9의최대867.1의，FLIM은디스플레이 인터페이스 전자 추출 효율 향상.(그림 4d-f)

에너지 대역 구조와 표면 전위(UPS, KPFM) 분석MAA는에너지 준위를 맞추는 조절 작용.MAA는처리는 공함수를 위로 이동하고, 가이드 밑을 상응하게 위로 이동하며, 박막은 더욱 강해진다n유형 피쳐,KPFM는표면의 전위 분포가 더욱 균일하여 전하 전송에 유리하다는 것을 나타낸다.(그림 4a-c)

결정동력학 실시간 모니터링(제자리 광학 현미경,제자리PL) 추적MAA는결정 과정에 대한 조절 메커니즘.MAA는결정 속도 현저한 지연, 공정 창 확대, 퇴화 과정 중PL는강도가 지속적으로 향상되어 디스플레이 필름의 품질이 개선되었다.(그림 3a-h)

이론적 계산 검증(DFT) 천명MAA는결함 억제의 분자 메커니즘.계산 결과 표시MAA는흡착 후 빈자리 결함 형성 향상, 효과적으로 억제VPb는、VI、VFA는등 결함이 형성되다.(그림 4h)

열 안정성과 항산화성(제자리 변온XRD,질량 스펙트럼 분석) 평가MAA는재료의 안정성에 대한 보호 작용.MAA는박막 열분해 온도는160°C다음으로 올리기180°C, 복원 가능I2는위I⁻의 능력으로 전구체의 산화를 효과적으로 억제한다.(그림 5a-i)

장기적인 운영 안정성(광열/습열 테스트) 실제 적용 환경에서 패키지 부품의 내구성을 검증합니다.광열 조건 하1120시간 후 유지94.5%효율, 습열 조건에서550시간 후 유지95.6%효율.(그림 6g-h)

결론

연구진이 개발에 성공했습니다.메틸아세틸아미드(MAA는) 이중 기능 첨가물 정책, 대면적의 칼슘 티타늄 광 태양열 모듈 제조 중의 결정 제어와 환경 안정성 도전을 체계적으로 해결했다.

핵심 기술 혁신:

1. 결정동력학 최적화：MAA는결정 속도 지연 및 공정 창 확대, 결정 크기199 nm대폭 증가386 nm，(100)정향 우선 취향이 강화되어 잔여 응변이 대폭 경감되었다.

2. 고효율 결함 둔화: 캐리어 수명366.9의최대867.1의，PLQY는에서0.25%다음으로 올리기0.94%，DFT는계산 확인MAA는빈자리 결함 형성을 효과적으로 억제하다.

3. 에너지 대역 조절 및 전하 전송: 공함수 부터-4.85 eV다음으로 조정-4.64 eV, 가이드 밑 위로 이동 촉진n형 특징, 표면 전위 분포가 더욱 균일하고 인터페이스 전자 추출 효율이 향상됩니다.

4. 환경 안정성 향상: 열분해 온도는160°C다음으로 올리기180°C이상,MAA는의 환원 특성은 전구체의 산화를 효과적으로 억제하고 재료의 본질적 안정성을 강화한다.

5. 장치 성능:

• 소면적PSC는달성25.52%고효율

• 11.09 cm²미니 모듈 구현22.87% PCE(효율성 안정화22.48%）

• 113.00 cm²대면적 모듈 도달20.18% PCE

장기 안정성 우수: 광열 조건1120시간 후 유지94.5%효율, 습열 조건550시간 후 유지95.6%효율

출처: Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202502193

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