33.25% 효율, 1000시간 후 96% MPPT 유지: 올-ALD SnOx/AZO 이중층이 페로브스카이트/실리콘 탠덤의 계면 반응을 억제
목차
제품 소개
페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀은 이미 35% 효율에 도달했습니다. 문제는 안정성입니다. 이러한 소자는 상용화에 필요한 25년 수명과는 아직 거리가 멀며, 근본 원인은 계면에 있습니다. 계면에 전하가 축적되고, 이 축적이 산화환원 반응과 이온 이동을 유발합니다.
널리 사용되는 ALD-SnOx 전자 수송층은 높은 비저항으로 인해 두께 트레이드오프 문제가 있습니다. 너무 두꺼우면 직렬 저항이 증가하고, 너무 얇으면 스퍼터 손상이나 이온 확산을 차단할 수 없습니다. 이를 연구하기 위해, AAA급 LED 태양광 시뮬레이터를 열화 광원으로 사용하는 페로브스카이트 복합 MPPT 테스터는 다양한 방식으로 셀 온도를 제어하고 주변 환경을 관리하여 장기 안정성 테스트를 수행할 수 있습니다.
이 연구는 전체 ALD 공정을 통해 SnOx/AZO 이중층을 구축합니다. 초박형 SnOx는 밴드 정렬을 유지하고, 전도성 AZO 층은 저저항 경로를 제공하며 밀집된 장벽 역할을 합니다. 이를 통해 전하 추출과 물리적 차단을 두 가지 별개의 작업으로 분리합니다. 이 구조를 가진 단일 접합 광대역 갭 페로브스카이트 셀은 23.47% 효율에 도달했고, 탠덤 소자는 33.25%를 기록했습니다. 1000시간 연속 조사 후에도 초기 효율의 96%를 유지하여 계면 전략을 뒷받침합니다.
기술 매개변수
페로브스카이트 복합 MPPT 테스터 사양
| 매개변수 | 사양 |
|---|---|
| 광원 등급 | A+AA+ (3A+) LED 태양광 시뮬레이터 |
| 광원 수명 | 10,000시간 이상 |
| 스펙트럼 출력 (조정 가능) | 350-400nm / 400-750nm / 750-1150nm, 독립 제어 |
| 환경 챔버 | 선택적 항온항습, ISOS 표준 충족 |
| 전자 부하 | 다양한 모델, 다채널 독립 작동 |
| 응용 분야 | 페로브스카이트 단일 접합 및 탠덤 셀 안정성 테스트 |
기술적 장점
ALD 이중층 제작 및 전기적 성능
단일 접합 테스트에서 SnOx가 150사이클에서 가장 우수한 성능을 보였습니다. 더 두껍게 증착하면 직렬 저항이 증가하고 충진율이 떨어졌습니다. 저항률 한계를 완화하기 위해 저자들은 ALD로 성장시킨 AZO 중간층을 추가했습니다. 250사이클 SnOx와 100사이클 SnOx + 400사이클 AZO의 두 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 더 유리한 계단형 밴드 정렬을 형성했습니다. c-AFM 결과 SnOx/AZO와 순수 AZO가 순수 SnOx보다 훨씬 더 잘 전도하는 것으로 나타났습니다. KPFM 결과 SnOx/AZO 페로브스카이트 필름에서 더 균일한 표면 전위와 더 낮은 결함 밀도가 관찰되었습니다. 과도 흡수 분광법으로 SnOx/AZO에서 더 빠른 캐리어 추출이 확인되었습니다.
ALD 층이 분해를 억제
85°C에서 조명 하에 400시간 노화 후, SnOx 샘플은 UV-vis에서 더 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 심한 Ag 침투와 심각한 I⁻ 확산을 보여준 반면, SnOx/AZO 소자에서는 뚜렷한 이온 확산이 관찰되지 않았습니다.
85% RH에서 7일 후, SnOx로 덮인 필름은 노란색 δ 상이 발생했지만 SnOx/AZO는 검은색을 유지했습니다. PLQY 측정 결과 SnOx/AZO에서 비방사 재결합 손실이 더 낮고 노화 후 PLQY 유지율이 더 높았습니다. KPFM은 노화된 SnOx 샘플에서 표면 결함 밀도가 크게 증가한 반면 SnOx/AZO는 거의 변화가 없음을 보여주었습니다.
제품 응용
단일 접합 셀 성능 및 안정성
ITO / NiOx / Me-4PACz / 페로브스카이트 / C60 / ALD 층 / Ag 구조의 단일 접합 소자에서 SnOx/AZO 챔피언은 23.47% 효율, VOC 1.27V, FF 83.92%, JSC 22.07mA/cm²를 달성했으며 히스테리시스가 명확히 감소했습니다. EQE 적분 전류 밀도는 21.62mA/cm²로 SnOx 소자의 20.92mA/cm²보다 높았습니다. 안정화 출력은 23.12%였습니다. Urbach 에너지는 13.11meV로 SnOx 소자의 16.38meV보다 낮았습니다.
안정성 측면에서 85°C에서 1100시간 암실 노화 후 SnOx/AZO는 초기 효율의 90% 이상을 유지한 반면, SnOx는 600시간에 85%로 떨어졌습니다. 85°C 조명 하에서 SnOx/AZO는 300시간 후 80% 이상을 유지한 반면, 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 이중층이 페로브스카이트/TOPCon 실리콘 탠덤 소자에 통합되었습니다. HAADF-STEM은 약 10nm의 SnOx와 약 60nm의 AZO로 구성된 연속적이고 치밀한 이중층을 보여주었으며, 핀홀이나 박리 현상은 없었습니다. HR-TEM은 SnOx가 비정질임을 확인했고, EDS는 AZO에서 균일한 Zn 분포를 보여주었습니다.
최고 효율 탠덤 소자는 33.25%의 효율, VOC 1.98V, JSC 20.83mA/cm², FF 80.71%를 달성했으며, 히스테리시스는 거의 없었습니다. EQE는 탑셀과 바텀셀의 광전류가 각각 20.43 및 20.40mA/cm²로 잘 일치함을 보여주었습니다. 안정화 출력은 32.38%였습니다.
85°C에서 1000시간의 열 노화 후 SnOx/AZO는 90% 이상의 효율을 유지한 반면, SnOx는 400시간 이내에 90% 미만으로 떨어졌습니다. 고온고습 시험(더블 85)에서 SnOx/AZO는 400시간 후에도 92% 이상을 유지했지만, SnOx는 200시간 이내에 80% 미만으로 떨어졌습니다. 연속 조명 1000시간 후 SnOx/AZO는 96% 이상을 유지했지만, 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 치밀한 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 제공하므로 두 효과가 함께 소자 내구성을 강화합니다.
이 연구는 전체 ALD SnOx/AZO 이중층을 사용하여 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀에서 계면 반응 유도 열화를 억제합니다. 이 이중층은 SnOx의 우수한 밴드 정렬과 AZO의 높은 전도성 및 치밀한 장벽 기능을 결합하여 전하 축적을 줄이고 이온 확산과 수분 침투를 억제합니다. 단일 접합 소자는 23.47% 효율, 탠덤 소자는 33.25% 효율을 달성했으며, 1000시간의 MPPT 후에도 초기 효율의 96% 이상을 유지했습니다. 이는 고효율·안정적인 페로브스카이트/실리콘 탠덤 PV 구축에 있어 계면 엔지니어링이 얼마나 중요한지 보여주며, 효율적이고 내구성 있는 셀을 위한 실질적인 경로를 제시합니다.
A+AA+ LED 태양광 시뮬레이터를 노화 광원으로 사용하는 페로브스카이트 복합 MPPT 테스터는 페로브스카이트 태양전지 연구에 강력한 지원을 제공합니다. 페로브스카이트 셀은 빛과 온도에 매우 민감하기 때문에 최대 전력점이 끊임없이 이동합니다. MPPT 컨트롤러는 해당 지점을 실시간으로 추적하고 고정하여 시스템이 항상 최적의 전력으로 출력되도록 합니다. 이를 통해 에너지 수확량을 극대화하고 전체 PV 시스템의 안정성과 경제성을 향상시킵니다.
참고: 올-ALD SnOx/AZO 이중층을 통한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지의 계면 반응 억제
Ooitech의 견해
여기서 눈에 띄는 점은 "기능적 분리" 아이디어로, 하나의 얇은 층이 밴드 정렬을 담당하고 다른 층이 차단을 담당하게 하여, 단일 SnOx 필름이 두 역할을 모두 수행하면서 하나를 잃는 것을 방지한다는 것입니다. 생산 측면에서, 전체 크기 모듈에 걸친 ALD 스택 균일성은 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 보려면 Ooitech YouTube 채널(www.youtube.com/ooitech)을 팔로우할 가치가 있습니다.
