소개

전페로브스카이트 탠덤 태양광 모듈은 높은 효율과 저비용 잠재력 덕분에 차세대 광전지 기술의 강력한 경쟁자로 널리 인정받고 있습니다. 그러나 대면적 상용화는 심각하게 지연되어 왔습니다. 소면적 소자는 이미 30% 효율을 넘어섰지만, 대면적 모듈(≥20 cm²)은 오랫동안 약 24.5%에 머물러 있었습니다. 주요 원인은 기존 금 기반 터널 재결합 접합(TRJ)의 Au/PEDOT:PSS 구조에서 강한 근적외선 기생 흡수와 계면 열적 불안정성, 그리고 블레이드 코팅 중 불균일한 결정화로 인한 대면적 Pb-Sn 페로브스카이트 필름의 전하 수송 저하입니다.

이 연구는 표면 엔지니어링된 In₂O₃ 나노결정을 기반으로 한 용액 공정 TRJ를 개발합니다. 나노결정 형태와 표면 화학을 조정하여 팀은 높은 광학 투명도, 매끄러운 계면, 이상적인 에너지 준위 정렬을 달성했습니다. 동시에 Pb-Sn 페로브스카이트 전구체에 포스폰산 유형 첨가제를 도입하여 In₂O₃ 재결합 층과의 전자 접촉을 개선하고, 정공 추출을 향상시키며, 결정화 동역학을 조정하여 대면적 필름의 잔류 응력을 완화했습니다. 이 결합된 전략은 접합에서의 캐리어 재결합 효율, 전하 추출, 대면적 필름 균일성을 동시에 향상시켜 최종적으로 65 cm² 조리개 면적에서 JET 인증 26.2% 효율(VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²)을 달성했습니다. 이는 전페로브스카이트 탠덤 광전지의 대규모화를 위한 중요한 이정표입니다.

새로운 TRJ의 설계 및 장점

본 연구는 용액 공정 기반의 대안으로, 표면 엔지니어링된 산화인듐 나노결정(In₂O₃ NCs)으로 구성된 새로운 TRJ(Type III)를 제안합니다. 이는 기존의 Au/PEDOT:PSS Type I 구조 및 상용 ITO 나노결정 기반 Type II 구조와 체계적으로 비교됩니다.

구조 및 계면 특성

자체 합성된 In₂O₃ NCs는 상용 ITO NCs보다 입자 크기가 훨씬 작아 더 매끄러운 매립 계면을 형성하고 접촉 결함 밀도를 효과적으로 낮춥니다. 전기적 테스트 결과 Type III 구조는 전하 수송 장벽이 없는 이상적인 오믹 접촉 거동을 보여줍니다.

광학적 및 열적 안정성

광학 특성 분석 결과, Type I의 PEDOT:PSS는 심각한 기생 흡수 손실을 유발하는 반면, In₂O₃ NC 필름은 높은 광학적 투명성을 보입니다. 85°C 가속 열화 조건에서 Type I 모듈 효율은 50시간 이내에 초기 값의 절반 이하로 떨어진 반면, NC 기반 Type II 및 Type III는 200시간 후에도 초기 효율의 약 75%를 유지했습니다. 10×10 cm² 기판에서 블레이드 코팅된 NC 필름은 얇은 열 증착 Au 필름보다 훨씬 균일한 광학 흡수를 보여, 용액 공정 나노결정이 대면적 제조에서 가지는 고유한 장점을 완전히 입증했습니다.

대면적 페로브스카이트 필름 제조 최적화

TRJ의 광학 손실 및 불안정성 문제가 해결된 후, 대면적 Pb-Sn 페로브스카이트 필름의 균일한 제조가 다음 기술적 장벽이 되었습니다. 기존 DMF/DMSO 용매 시스템은 끓는점이 높고 휘발성이 낮아 고속 블레이드 코팅 시 핵 생성 동역학이 느려 대면적 기판에서 균일한 필름을 형성하기 어렵습니다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 2-메톡시에탄올(2-Me)과 테트라하이드로퓨란(THF) 기반의 이원 용매 시스템을 개발했습니다. 낮은 끓는점과 높은 증기압을 가진 이 시스템은 빠르게 임계 과포화에 도달하여 핵 생성을 현저히 가속화합니다. 이를 사용하여 Pb-Sn 페로브스카이트 블레이드 코팅 속도를 기존 DMF 시스템의 5 mm/s에서 최대 30 mm/s로 높였으며, 10×10 cm² 이상의 기판에서 매우 균일한 광발광(PL) 강도와 우수한 소자 일관성을 달성했습니다. 이는 대면적 코팅의 결정화 동역학 문제를 성공적으로 해결했으며, 65 cm² 개구 면적에서 17.5%의 예비 효율 검증을 달성했습니다.

표면 리간드 엔지니어링 및 에너지 준위 정합

PEDOT:PSS 제거 후 광학 손실은 감소했지만, 개방 전압(VOC)과 충진율(FF)이 감소했는데, 이는 페로브스카이트와 NC 층 사이의 계면 수송 장벽 및 비방사성 재결합 증가에 기인합니다. 이를 해결하기 위해 연구에서는 이중 시너지 최적화 전략을 구현했습니다:

표면 리간드 엔지니어링을 통한 에너지 준위 조정

리간드 교환을 통해 MMES와 MMPA를 사용하여 In₂O₃ NC의 표면을 개질했습니다. 자외선 광전자 분광법(UPS)은 MMPA로 개질된 In₂O₃ NC가 목표 페로브스카이트 필름과 유리한 계면 밴드 벤딩(약 50 meV의 상향 벤딩)을 달성하여 정공 추출을 크게 촉진하는 반면, OAm 또는 MMES 개질은 하향 벤딩과 수송 장벽을 유발함을 보여주었습니다. 공간 전하 제한 전류(SCLC) 테스트는 리간드가 이동도 자체에 간섭하지 않음을 확인하여 성능 향상이 주로 최적화된 에너지 준위 정렬에서 비롯됨을 확인했습니다.

포스폰산 정공 선택성 물질(HSM)의 벌크 도핑

연구팀은 MeO-2PACz와 같은 포스폰산 HSM을 계면 개질에 국한하지 않고 Pb-Sn 페로브스카이트 전구체에 직접 도핑했습니다(최적화 농도 0.2 mol%). 이 벌크 도핑 전략은 넓은 면적에서 SAM의 불균일한 코팅 문제를 피합니다. UPS는 HSM 도핑 후 페로브스카이트 일함수가 5.04 eV에서 4.81 eV로 이동하고, 가전자대 최대값이 상승하며, n형 특성이 약화되어 In₂O₃ NC의 에너지 준위와 더 잘 일치함을 보여주었습니다. 결과적으로 HTL이 없는 단일 접합 Pb-Sn 셀은 23% 효율을 달성했으며, In₂O₃-MMPA NC를 정공 수송층(HTL)으로 사용한 블레이드 코팅 소자는 33.8 mA cm⁻²의 높은 JSC와 함께 24.0%의 역방향 스캔 효율을 달성했습니다.

페로브스카이트 필름에 대한 HSM의 다중 역할

HSM의 역할은 전하 수송을 훨씬 넘어서며, 필름 결정화 및 결함 패시베이션에 깊은 영향을 미칩니다:

결정화 제어 및 결함 억제

주사 전자 현미경(SEM)은 HSM 도핑 후 Pb-Sn 필름의 결정립계를 가로지르던 수상 돌기 불순물이 사라지고, 결정립 크기가 현저히 증가하며, 결정립계가 '융합된' 모양을 띠는 것을 보여주었습니다. GIWAXS와 XRD는 HSM이 PbI₂ 불순물 상 형성을 효과적으로 억제함을 확인했습니다. 액체 상태 ¹H NMR은 HSM이 우선적인 탈양성자화를 통해 유리 산성 포스폰 그룹을 소비하여 FA⁺ 양이온의 산성 탈양성자화를 방지하고 전구체 화학을 안정화함을 추가로 밝혔습니다.

개선된 캐리어 동역학

과도 흡수 분광법(TAS)은 HSM 도핑 후 결함 보조 비방사 재결합이 현저히 억제되었음을 보여주었습니다. 정상 상태 PL 강도가 급격히 증가하고, 평균 PL 수명이 1042 ns에서 1889 ns로 연장되었으며, 특히 하부 계면에서 강한 패시베이션이 발생하여 매립 계면에서의 전하 트래핑을 효과적으로 줄였습니다. OPTP 분광법은 타겟 필름의 캐리어 이동도가 20 cm² V⁻¹ s⁻¹에서 36 cm² V⁻¹ s⁻¹로 증가하고 확산 길이가 2.65 μm에서 4.78 μm로 증가하여 벌크 필름 품질이 전반적으로 개선되었음을 확인했습니다.

대면적 모듈 성능 및 안정성

이러한 시너지 전략을 바탕으로 연구팀은 65 cm² 개구 면적(14개의 서브셀 직렬 연결)의 올-페로브스카이트 탠덤 모듈을 제작했습니다. Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ를 사용한 최고 효율 모듈은 실험실 측정 효율 26.6%(역방향 스캔), VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻², FF 78.2%를 달성했습니다. JET 인증 안정화 효율은 26.2%로, 기존 Type I TRJ를 사용한 대조 모듈(24.8%)을 크게 능가했습니다. 데드존 최적화 후 기하학적 충진율은 96.5%에 도달하여 등가 활성 면적 효율이 27.6%에 달했습니다. EQE 공간 매핑 결과, 16개 위치에서 상부 및 하부 서브셀의 통합 전류 밀도는 각각 평균 16.3 및 16.2 mA cm⁻²로 J-V 결과와 잘 일치했으며, 이전에 보고된 15 mA cm⁻² 미만의 모듈 병목 현상을 모두 극복했습니다.

신뢰성 측면에서, IEC 61215:2021 표준에 따라 캡슐화된 Type III 모듈은 연속 1-선 MPP 추적 조건에서 T90 수명(초기 효율의 90% 유지)이 771시간에 도달했으며, 1000시간 후에도 82.5%의 효율을 유지했습니다. 가혹한 85°C/85% RH 습열 시험(ISOS-D-3)에서 Type III 모듈은 평균 T84 수명이 1000시간에 도달한 반면, Type I 모듈은 이미 40% 미만으로 효율이 떨어졌습니다. -40°C에서 85°C까지의 열순환 시험(ISOS-T-3)에서 Type III 모듈은 200사이클 후 초기 효율의 93%를 유지했습니다. 모든 가속 노화 실험은 Type III의 뛰어난 안정성이 PEDOT:PSS에 의해 유발된 불안정 요인을 완전히 제거했기 때문임을 확인했습니다.

표면 엔지니어링된 In₂O₃ 나노결정 재결합 접합과 시너지 효과를 내는 벌크/계면 HSM 엔지니어링을 통해, 본 연구는 65 cm² 개구 면적에서 26.2% 인증 효율의 올-페로브스카이트 탠덤 태양광 모듈을 성공적으로 달성하여 모듈 크기, 효율 및 작동 안정성에서 포괄적인 돌파구를 마련했습니다. 이 연구는 올-페로브스카이트 탠덤 광전지 기술의 상업화 가능성을 강력히 입증합니다. 앞으로 모듈 면적을 800 cm² 이상으로 확장하려면 슬롯다이 코팅과 같은 증착 공정과 진공 보조 결정화와 같은 방법을 함께 최적화하여 대면적 광대역 및 협대역 서브셀의 고품질 균일 제조를 보장해야 합니다.

기준 및 테스트 장비

A+AA+ 등급 LED 태양광 시뮬레이터를 에이징 소스로 사용하는 복합 페로브스카이트 MPPT 테스터는 첨단 기술과 다기능 설계를 통해 페로브스카이트 태양전지 연구에 강력한 지원을 제공합니다. 이러한 장비는 주로 완성된 페로브스카이트 단일접합 및 탠덤 셀의 안정성 테스트에 사용됩니다. 페로브스카이트 셀의 출력 특성은 빛, 온도 등의 환경 요인에 쉽게 영향을 받기 때문에 최대 전력점이 자주 변동합니다. MPPT 컨트롤러는 최대 전력점을 실시간으로 추적 및 고정하여 시스템이 항상 최적의 전력 출력에서 작동하도록 보장합니다.

참고: 올-페로브스카이트 탠덤 태양광 모듈을 위한 나노결정 맞춤형 재결합

Ooitech의 견해

Ooitech는 다음과 같이 믿습니다: 표면 엔지니어링된 In₂O₃ 나노결정 재결합 접합과 HSM 벌크/계면 엔지니어링의 결합으로 대면적 올-페로브스카이트 탠덤 모듈이 인증된 26.2% 효율을 달성하여 이 기술을 상용화에 결정적인 한 걸음 더 가까이 이끌었습니다.