대면적 올-페로브스카이트 탠덤 모듈에서 26.2% 인증 효율 돌파: In₂O₃ 나노결정 터널 재결합 접합

소개

올-페로브스카이트 탠덤 태양광 모듈은 높은 효율과 저비용 잠재력 덕분에 차세대 광전지 기술의 강력한 경쟁자로 널리 간주됩니다. 그러나 대면적 상용화는 심각하게 지연되어 왔습니다. 소면적 소자는 이미 30% 효율을 넘어섰지만, 대면적 모듈(≥20 cm²)은 오랫동안 약 24.5%에 머물러 있습니다. 주요 원인은 기존 금 기반 터널 재결합 접합(TRJ)의 Au/PEDOT:PSS 구조에서 발생하는 강한 근적외선 기생 흡수와 계면 열 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 높은 광학 투명성, 매끄러운 계면, 이상적인 에너지 준위 정렬을 달성했습니다. 동시에 Pb-Sn 페로브스카이트 전구체에 포스폰산계 첨가제를 도입하여 In₂O₃ 재결합 층과의 전자 접촉을 개선하고, 정공 추출을 강화하며, 결정화 동역학을 조정하여 대면적 필름의 잔류 응력을 완화했습니다. 이 결합된 전략은 접합에서의 캐리어 재결합 효율, 전하 추출, 대면적 필름 균일성을 동시에 향상시켜, 궁극적으로 65 cm² 개구 면적에서 JET 인증 26.2% 효율(VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²)을 달성했습니다 — 이는 올-페로브스카이트 탠덤 광전지의 스케일업을 향한 핵심 이정표입니다.

새로운 TRJ의 설계 및 장점

이 연구는 표면 엔지니어링된 산화인듐 나노결정(In₂O₃ NCs)으로 구성된 새로운 TRJ(Type III)라는 용액 공정 대안을 제안합니다. 기존 Au/PEDOT:PSS Type I 구조 및 상용 ITO 나노결정 기반 Type II 구조와 체계적으로 비교됩니다.

구조 및 계면 특성

자체 합성된 In₂O₃ 나노결정(NCs)은 상용 ITO 나노결정보다 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.

광학 및 열 안정성

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

대면적 페로브스카이트 필름 제조 최적화

TRJ의 광학 손실과 불안정성이 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 중 핵 생성 동역학이 뒤처져 대형 기판에 균일한 필름을 형성하기 어렵습니다.

이를 해결하기 위해 팀은 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 30 mm/s까지 높였으며, 10×10 cm² 이상의 기판에서 매우 균일한 광발광(PL) 강도와 우수한 소자 일관성을 구현했습니다. 이를 통해 대면적 코팅의 결정화 동역학 문제를 성공적으로 해결했고, 65 cm² 개구 면적에서 17.5% 효율 검증을 달성했습니다.

표면 리간드 엔지니어링 및 에너지 준위 정합

PEDOT:PSS를 제거한 후 광학 손실은 줄었지만 개방 회로 전압(VOC)과 충전 계수(FF)가 감소했으며, 이는 페로브스카이트와 나노결정 층 사이의 계면 수송 장벽 증가 및 비방사 재결합에 기인합니다. 이를 해결하기 위해 연구는 이중 시너지 최적화 전략을 구현했습니다:

에너지 준위 조정을 위한 표면 리간드 엔지니어링

Through ligand exchange, MMES and MMPA were used to modify the surface of the In₂O₃ NCs. UV photoelectron spectroscopy (UPS) showed that MMPA-modified In₂O₃ NCs achieve favorable interfacial band bending with the target perovskite film (upward bending of about 50 meV), significantly promoting hole extraction, whereas OAm or MMES modification caused downward bending and a transport barrier. Space-charge-limited current (SCLC) tests ruled out any ligand interference on mobility itself, confirming that the performance gain mainly stems from optimized energy-level alignment.

Bulk doping with phosphonic-acid hole-selective material (HSM)

The team doped phosphonic-acid HSMs such as MeO-2PACz directly into the Pb-Sn perovskite precursor (optimized at 0.2 mol%) rather than limiting them to interface modification. This bulk doping strategy avoids the problem of uneven SAM coverage over large areas. UPS showed that after HSM doping the perovskite work function shifted from 5.04 eV to 4.81 eV, the valence band maximum moved up, and the n-type character weakened, better matching the energy levels of the In₂O₃ NCs. The resulting HTL-free single-junction Pb-Sn cell reached 23% efficiency, while a blade-coated device using In₂O₃-MMPA NCs as the hole transport layer (HTL) achieved 24.0% reverse-scan efficiency with a JSC as high as 33.8 mA cm⁻².

Multiple Roles of HSM on the Perovskite Film

The role of HSM goes far beyond charge transport — it profoundly influences film crystallization and defect passivation:

Crystallization control and defect suppression

Scanning electron microscopy (SEM) showed that after HSM doping the dendritic impurities originally cutting across grain boundaries in the Pb-Sn film disappeared, grain size grew markedly, and grain boundaries took on a "fused" appearance. GIWAXS and XRD confirmed that HSM effectively suppressed PbI₂ impurity-phase formation. Liquid-state ¹H NMR further revealed that HSM, through preferential deprotonation, consumes free acidic phosphonic groups, thereby preventing their acidic deprotonation of FA⁺ cations and stabilizing the precursor chemistry.

Improved carrier dynamics

과도 흡수 분광법(TAS)은 HSM 도핑 후 결함 보조 비방사 재결합이 현저히 억제되었음을 보여주었습니다. 정상 상태 PL 강도는 급격히 증가했고, 평균 PL 수명은 1042 ns에서 1889 ns로 연장되었으며, 특히 하부 계면에서의 패시베이션이 강력하여 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 품질의 전반적인 개선을 확인했습니다.

대면적 모듈 성능 및 안정성

이러한 시너지 전략을 바탕으로 팀은 65 cm² 개구 면적(직렬 연결된 14개의 서브셀)을 가진 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%)보다 확실히 우수했습니다. 데드존 최적화 후 기하학적 충진율은 96.5%에 도달하여 등가 활성 면적 효율이 27.6%에 달했습니다. EQE 공간 매핑은 16개의 서로 다른 위치에서 상부 및 하부 서브셀의 통합 전류 밀도가 각각 평균 16.3 및 16.2 mA cm⁻²로 J-V 결과와 밀접하게 일치하며, 이전에 보고된 15 mA cm⁻² 미만의 모듈 병목 현상을 모두 돌파했음을 보여주었습니다.

신뢰성 측면에서, IEC 61215:2021 표준에 따라, 캡슐화된 Type III 모듈은 연속 1-선 MPP 추적 하에서 T90 수명(초기 효율의 90% 유지)이 771시간에 도달했고, 1000시간 후에도 효율의 82.5%를 유지했습니다. 가혹한 85°C/85% RH 고온고습 시험(ISOS-D-3)에서 Type III 모듈은 평균 T84 수명이 1000시간에 도달한 반면, Type I 모듈은 이미 효율이 40% 미만으로 떨어졌습니다. -40°C ~ 85°C 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 제거한 데서 비롯되었음을 확인했습니다.

표면 엔지니어링된 In₂O₃ 나노결정 재결합 접합과 상승적인 벌크/계면 HSM 엔지니어링을 통해, 이 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 잠재력을 강력히 입증합니다. 앞으로 모듈 면적을 800 cm² 이상으로 확장하려면 슬롯 다이 코팅과 같은 증착 공정과 진공 보조 결정화와 같은 방법의 상승적 최적화가 필요하며, 이는 대면적 광밴드갭 및 협밴드갭 서브셀의 고품질 균일 제작을 보장합니다.

참고 및 테스트 장비

A+AA+ 등급 LED 태양광 시뮬레이터를 노화 소스로 사용하는 복합 페로브스카이트 MPPT 테스터는 고급 기술과 다기능 설계를 통해 페로브스카이트 태양전지 연구에 강력한 지원을 제공합니다. 이러한 기기는 주로 완성된 페로브스카이트 단일 접합 및 탠덤 셀의 안정성 테스트에 사용됩니다. 페로브스카이트 셀의 출력 특성은 빛과 온도와 같은 환경 요인의 영향을 쉽게 받기 때문에 최대 전력점이 자주 변동합니다. MPPT 컨트롤러는 최대 전력점을 실시간으로 추적하고 고정하여 시스템이 항상 최적의 전력 출력에서 작동하도록 보장합니다.

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

Ooitech의 견해

Ooitech는 표면 엔지니어링된 In₂O₃ 나노결정 재결합 접합과 HSM 벌크/계면 엔지니어링이 대면적 올-페로브스카이트 탠덤 모듈을 인증된 26.2% 효율로 끌어올려 이 기술을 상업화에 결정적으로 한 걸음 더 가깝게 만들었다고 믿습니다.