제품 소개

페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀은 이미 35% 효율에 도달했습니다. 문제는 안정성입니다. 이러한 소자는 상용화에 필요한 25년 수명에 아직 훨씬 못 미치며, 그 근본 원인은 계면에 있습니다. 계면에 전하가 축적되고, 이 축적이 산화환원 반응과 이온 이동을 유발합니다.

널리 사용되는 ALD-SnOx 전자 수송층은 높은 저항률로 인해 두께 트레이드오프가 발생합니다. 너무 두꺼우면 직렬 저항이 증가하고, 너무 얇으면 스퍼터 손상이나 이온 확산을 차단할 수 없습니다. 이를 연구하기 위해 AAA급 LED 태양광 시뮬레이터를 노화 광원으로 사용하는 페로브스카이트 복합 MPPT 테스터는 여러 방식으로 셀 온도를 제어하고 주변 환경을 관리하여 장기 안정성 테스트를 수행할 수 있습니다.

이 연구는 전체 ALD 공정을 통해 SnOx/AZO 이중층을 구축했습니다. 초박형 SnOx는 밴드 정렬을 유지하고, 전도성 AZO 층은 낮은 저항 경로를 제공하며 조밀한 장벽 역할을 합니다. 이를 통해 전하 추출과 물리적 차단을 두 개의 별도 작업으로 분리합니다. 이 구조를 가진 단일 접합 광대역 갭 페로브스카이트 셀은 23.47%의 효율을 달성했고, 탠덤 소자는 33.25%에 도달했습니다. 1000시간 연속 조명 후에도 초기 효율의 96%를 유지하여 계면 전략을 뒷받침했습니다.

기술 매개변수

페로브스카이트 복합 MPPT 테스터 사양

기술적 장점

ALD 이중층 제작 및 전기적 성능

단일접합 테스트에서 SnOx가 150사이클에서 최적 성능을 보였습니다. 두께를 증가시키면 직렬 저항이 상승하고 필 팩터가 감소했습니다. 저항률 한계를 완화하기 위해 저자는 ALD로 성장시킨 AZO 중간층을 추가했습니다. 250사이클 SnOx와 100사이클 SnOx + 400사이클 AZO의 두 가지 스택을 비교했습니다.

J-V 측정 결과 SnOx/AZO 조합이 소자 성능을 향상시켰습니다. 에너지 준위 분석 결과 전도대 최소값이 SnOx에서 AZO, IZO로 단계적으로 낮아져 계면 추출 장벽을 낮추는 유리한 계단형 밴드 정렬을 형성했습니다. c-AFM은 SnOx/AZO와 순수 AZO가 순수 SnOx보다 훨씬 우수한 전도성을 보임을 확인했습니다. KPFM은 SnOx/AZO 페로브스카이트 필름에서 더 균일한 표면 전위와 낮은 결함 밀도를 보여주었습니다. 과도 흡수 분광법은 SnOx/AZO를 사용한 더 빠른 캐리어 추출을 확인했습니다.

ALD 층이 분해를 억제

85°C 조명 하에서 400시간 노화 후, SnOx 샘플은 UV-vis에서 강한 요오드화납 흡수, XRD에서 금속 Pb⁰ 회절 피크, 단면 SEM에서 계면 공극 및 벌크 손실을 보였습니다. SnOx/AZO 샘플에서는 이러한 분해 징후가 훨씬 약했습니다. TOF-SIMS는 SnOx 소자에서 페로브스카이트 층으로의 심각한 Ag 침투와 심한 I⁻ 확산을 보여준 반면, SnOx/AZO 소자는 명백한 이온 확산을 보이지 않았습니다.

85% RH에서 7일 후, SnOx로 덮인 필름은 노란색 δ 상이 발생했지만 SnOx/AZO는 검은색을 유지했습니다. PLQY 측정 결과 SnOx/AZO의 비방사 재결합 손실이 낮고 노화 후 PLQY 유지율이 높았습니다. KPFM은 노화된 SnOx 샘플에서 표면 결함 밀도가 크게 증가한 반면 SnOx/AZO는 거의 변화가 없음을 보여주었습니다.

제품 적용 분야

단일접합 셀 성능 및 안정성

ITO / NiOx / Me-4PACz / 페로브스카이트 / C60 / ALD 층 / Ag 구조의 단일접합 소자에서 SnOx/AZO 최고 효율은 23.47%, VOC 1.27 V, FF 83.92%, JSC 22.07 mA/cm²였으며 히스테리시스가 현저히 감소했습니다. EQE 적분 전류 밀도는 21.62 mA/cm²로 SnOx 소자의 20.92 mA/cm²보다 높았습니다. 안정화 출력은 23.12%였습니다. Urbach 에너지는 13.11 meV로 SnOx 소자의 16.38 meV보다 낮았습니다.

안정성 측면에서, 85°C에서 1100시간의 암흑 에이징 후 SnOx/AZO는 초기 효율의 90% 이상을 유지한 반면, SnOx는 600시간에 85%로 감소했습니다. 85°C 조명 조건에서 SnOx/AZO는 300시간 후 80% 이상을 유지했지만, SnOx는 200시간 후 60% 미만으로 떨어졌습니다. MPPT 테스트에서 SnOx/AZO는 2000시간 후 96%를 유지한 반면, SnOx는 700시간 후 80%로 떨어졌습니다.

탠덤 셀 성능 및 안정성

ALD 이중층은 페로브스카이트/TOPCon 실리콘 탠덤 소자에 통합되었습니다. HAADF-STEM은 SnOx 약 10nm, AZO 약 60nm의 연속적이고 조밀한 이중층을 보여주었으며, 핀홀이나 박리는 없었습니다. HR-TEM은 SnOx가 비정질임을 확인했고, EDS는 AZO에서 균일한 Zn 분포를 보여주었습니다.

최고 효율 탠덤 소자는 33.25% 효율, VOC 1.98V, JSC 20.83mA/cm², FF 80.71%를 달성했으며, 히스테리시스가 거의 없었습니다. EQE는 상단 및 하단 셀의 광전류가 각각 20.43 및 20.40mA/cm²로 잘 일치함을 보여주었습니다. 안정화된 출력은 32.38%였습니다.

85°C에서 1000시간의 열 에이징 후 SnOx/AZO는 90% 이상의 효율을 유지한 반면, SnOx는 400시간 이내에 90% 미만으로 떨어졌습니다. 고온고습 테스트(이중 85)에서 SnOx/AZO는 400시간 후 92% 이상을 유지한 반면, SnOx는 200시간 이내에 80% 미만으로 떨어졌습니다. 1000시간 연속 조명 후 SnOx/AZO는 96% 이상을 유지한 반면, SnOx는 300시간 이내에 80% 미만으로 떨어졌습니다.

메커니즘 요약

SnOx/AZO 이중층의 장점은 두 가지로 요약됩니다. 전도성 AZO 캡은 전자 추출을 가속화하고 계면 전하 축적을 줄여 반응 유도 계면 열화를 억제합니다. 동시에 조밀한 이중층은 효과적인 이온 및 수분 장벽 역할을 하여 요오드화물 유도 은 부식과 페로브스카이트로의 Ag⁺ 이동을 억제합니다. 더 빠른 전자 추출과 물리적 이온 차단이 결합되어 '기능적 분리' 메커니즘을 제공하며, 두 효과가 함께 소자 내구성을 강화합니다.

이 연구는 전면 ALD SnOx/AZO 이중층을 사용하여 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀에서 계면 반응 유도 열화를 억제합니다. 이 이중층은 SnOx의 우수한 밴드 정렬과 AZO의 높은 전도성 및 조밀한 장벽 기능을 결합하여 전하 축적을 줄이고 이온 확산 및 수분 침투를 억제합니다. 단일 접합 소자는 23.47% 효율, 탠덤 소자는 33.25% 효율을 달성했으며, 두 소자 모두 1000시간 MPPT 후 초기 효율의 96% 이상을 유지했습니다. 이는 고효율 및 안정적인 페로브스카이트/실리콘 탠덤 PV 구축에 있어 계면 공학의 핵심적 중요성을 보여주며, 효율적이고 내구성 있는 셀을 향한 실질적인 경로를 제시합니다.

페로브스카이트 복합 MPPT 테스터는 A+AA+ LED 태양광 시뮬레이터를 노화 광원으로 사용하여 페로브스카이트 태양전지 연구에 강력한 지원을 제공합니다. 페로브스카이트 셀은 빛과 온도에 매우 민감하기 때문에 최대 전력점이 끊임없이 변동합니다. MPPT 컨트롤러는 실시간으로 해당 지점을 추적하고 고정하여 시스템이 항상 최적의 전력으로 출력되도록 합니다. 이를 통해 에너지 수확량을 극대화하고 전체 PV 시스템의 안정성과 경제성을 향상시킵니다.

참고문헌: All-ALD SnOx/AZO 이중층을 통한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지의 계면 반응 억제

Ooitech의 견해

여기서 주목할 점은 '기능적 분리' 개념으로, 하나의 얇은 층이 밴드 정렬을 담당하고 다른 층이 차단을 담당하게 하여, 두 역할을 모두 수행해야 하는 단일 SnOx 막이 어느 한쪽에서 손실을 보는 것을 방지한다는 것입니다. 생산 측면에서는 전체 크기 모듈에 걸친 ALD 스택 균일성이 라인 제어와 계측이 중요한 부분이며, 이는 모듈 라인을 구축할 때 우리가 집중하는 공정 세부 사항입니다. 페로브스카이트 및 탠덤 모듈 제조가 실제 공장 현장에서 어떻게 구현되는지 더 자세히 알고 싶다면 Ooitech YouTube 채널(www.youtube.com/ooitech)을 구독하는 것을 추천합니다.