특별히 설계된 전송 레이어는 효율성 제한에서 페로브스카이트 두께를 분리합니다

27년 2023월 XNUMX일(나노 워크 스포트라이트) 연구자들은 오랫동안 효율성을 극대화하기 위해 노력해 왔습니다. 페 로브 스카이 트 생산 비용을 최소화하면서 태양 전지. 태양전지 필름이 얇아지면 생산 비용은 낮아지지만 효율성은 제한됩니다. 두꺼운 필름은 효율성을 높이지만 성능을 저하시키는 결함이 발생하기 쉽습니다. 그러나 마이크론 규모의 페로브스카이트 필름에 대한 이전 시도에서는 충전율과 전압이 눈에 띄게 감소했습니다. 따라서 효율성 잠재력이 제한됩니다. 두께와 효율성 사이의 최적의 균형을 맞추는 것은 지속적인 과제로 입증되었습니다. 최근 재료 및 제조 분야의 혁신으로 인해 페로브스카이트 태양전지가 상업적 생존 가능성의 정점에 이르렀습니다. 이제 효율성은 기존 실리콘 셀과 맞먹으면서도 훨씬 적은 에너지와 생산 비용이 필요합니다. 그러나 더 폭넓은 채택은 경제적인 제조 기술을 유지하면서 성능과 안정성을 향상시키는 데 달려 있습니다. 독일 Forschungszentrum Jülich 팀의 새로운 작업이 보고되었습니다. 고급 에너지 재료 (“효율적인 마이크로미터 두께의 페로브스카이트 태양전지를 위한 정공 수송 이중층”)는 두께에 따른 손실을 악화시키는 데 전송 레이어의 중요한 역할을 근본적으로 인식합니다. 완벽한 흡수체 이동성/수명에도 불구하고. 저항 손실과 재결합을 줄이기 위해 이중층 정공 수송 아키텍처를 최적화함으로써 저자는 1 마이크론 이상의 두께에서 놀라운 효율성 유지를 달성했습니다. 효율적인 마이크로미터 두께의 페로브스카이트 태양전지를 위한 정공 수송 이중층

효율적인 마이크로미터 두께의 페로브스카이트 태양전지를 위한 정공 수송 이중층

a) 대표 보고서와 본 연구에서 FF와 해당 페로브스카이트 필름 두께 및 밴드갭의 비교. b) Me-4PACz를 기반으로 다양한 두께를 갖는 페로브스카이트 태양전지의 조명된 J-V 곡선, 셀 성능 매개변수는 표 S1, 지원 정보에 나열되어 있습니다. c) 다양한 저항을 고려하여 식 (1)에 따라 밴드갭의 함수로 표현된 충전율. (© Wiley-VCH Verlag) 이 연구는 두께와 효율성 제한을 분리하는 독창적인 태양전지 아키텍처에 중점을 두고 있습니다. 페로브스카이트 층 주위에 특수 유기 필름을 삽입함으로써 저자는 최대 성능을 저하시키지 않고 마이크론 규모의 두께를 가능하게 했습니다. 이 디자인은 더 얇은 버전에 비해 손실을 최소화하면서 20.2 마이크론 이상의 두께에서 1%의 놀라운 효율성을 달성했습니다. 수석 저자인 Thomas Kirchartz는 "고효율로 두꺼운 태양 전지 필름을 실현하면 고성능 직렬 전지에 필요한 질감이 있는 실리콘 웨이퍼의 작은 피라미드를 덮을 수 있습니다."라고 설명합니다. 더 두꺼운 페로브스카이트 필름에 대한 이전 시도는 미크론 규모에서 충진율과 전압이 저하되는 경향이 있었습니다. 그러나 연구진의 독특한 전하 수송 이중층은 이러한 감소를 억제합니다. 이를 통해 페로브스카이트를 고효율 실리콘 기반 탠덤에 통합하는 경로를 보여줍니다. 그렇다면 두께가 효율성을 방해하는 이유는 무엇입니까? 즉, 필름이 두꺼울수록 제조상의 작은 결함이 악화되어 성능이 점차 저하됩니다. 결함 밀도가 증가하고 인터페이스가 거칠어지며 전압이 저하됩니다. 이러한 서로 얽힌 메커니즘을 분리하는 것은 엄청나게 어려운 것으로 입증되었습니다. Kirchartz 팀의 핵심 통찰력은 전송 계층 자체에 본질적인 한계가 있다는 것을 인식하는 것이었습니다. 전하 수집을 유지하는 전통적인 논리는 주로 흡수체 특성에 의존했습니다. 그러나 충분한 전도성과 최적의 밴드 정렬을 갖춘 전송층을 주입하면 두께 제약이 완전히 완화됩니다. 이로써 수많은 손실 경로를 단번에 극복했습니다. 이 발견으로 인해 연구원들은 페로브스카이트 코어 주위에 상호보완적인 장점을 지닌 두 개의 특수 유기 필름을 끼울 수 있었습니다. 하단 SAM(자체 조립 단층) 필름은 뛰어난 전도성과 정공 수송 능력을 가지고 있습니다. 한편, 상단 폴리[비스(4-페닐)]아민(PTAA) 필름은 페로브스카이트에 대한 긴밀한 격자 일치 및 밴드 정렬을 제공합니다. 호환 가능한 SAM 변형을 혼합하면 계면 특성이 더욱 미세 조정됩니다. 세심한 특성 분석을 통해 전송 이중층은 저항 손실을 줄이고 전하 추출을 촉진하며 단일 SAM 또는 PTAA 필름에 비해 재결합을 방해하는 것으로 나타났습니다. 이를 통해 80미크론 이상의 두께에서 각각 1.2% 및 1V에 근접하는 뛰어난 충진율 및 전압을 가능하게 합니다. 이러한 놀라운 최고 효율 유지는 페로브스카이트가 완전한 상업적 잠재력을 발휘하는 데 도움이 될 수 있습니다. 고성능 후막 페로브스카이트 태양전지의 광범위한 영향이 강조되어야 합니다. 마이크론 스케일은 실리콘에 최적화된 기존 제조 도구와 잘 맞습니다. 따라서 기존 인프라와의 통합이 쉬워집니다. 최첨단 페로브스카이트와 기존 기술 간의 호환성을 강화하면 페로브스카이트의 광범위한 채택을 촉진할 수 있습니다. 또한 두꺼운 페로브스카이트 필름은 실리콘 셀 피라미드의 질감과 더 잘 일치합니다. 이를 통해 45%의 결합 효율을 목표로 하는 직렬 셀 구조를 개선합니다. 따라서 Kirchartz는 "직렬 응용을 위해 질감이 있는 Si 바닥 전지에서 효율적으로 용액 처리된 페로브스카이트 상부 전지를 가능하게 하는 중간 단계는 1μm 이상의 두께에서 높은 효율과 결합된 적절하게 높은 밴드 갭을 갖는 전지 구조를 설계하는 능력"이라고 믿습니다. 그러나 후막 페로브스카이트가 상업적으로 준비되기까지는 작업이 남아 있습니다. 장기적인 안정성은 여전히 부족하며 효율성과 성능 일관성은 개선이 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 미크론 규모에서 예외적인 20% 효율성 이정표는 분수령의 순간을 나타냅니다. 이 새로운 광전지 기술의 상업적 생존 가능성을 입증합니다. 이 획기적인 발전은 고효율 탠덤 전지용 실리콘 피라미드를 덮는 데 필요한 두꺼운 페로브스카이트 필름을 효율적으로 생산합니다. 이를 통해 경제적이고 확장 가능한 하이브리드 탠덤 아키텍처에 대한 오랜 약속을 이행하는 데 도움이 됩니다. 또한 마이크론 규모에서 20% 이상의 효율성을 안정적으로 달성하면 필름 두께가 증가함에 따라 하위 전압 및 충진율에 대한 우려가 크게 완화됩니다. 이를 통해 상용화 노력을 제약하는 가장 완고한 효율성 및 성능 상충관계 중 하나를 극복합니다. 이러한 발전을 바탕으로 추가 최적화를 통해 초기 기대 이상으로 효율성 한계를 향상시킬 수 있는 잠재력이 있습니다. 저비용 제조 친화적인 페로브스카이트 태양전지의 실행 가능성은 이제 점점 더 실현 가능해 보입니다. 점진적인 확장 및 안정성 개선을 기다리는 동안 광범위한 채택이 곧 이루어질 것입니다. 아직 연구가 남아 있지만 마이크론 두께의 페로브스카이트에 대해 20% 이상의 뛰어난 효율성 유지를 입증하는 것은 역사적인 변곡점을 구성합니다.

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마이클
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