페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀: 8nm ITO 인터커넥트 층으로 31.80% 효율 달성

제품 소개

모놀리식 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 단일 접합 소자의 효율 한계를 넘어서는 가장 확실한 경로 중 하나입니다. 상부 셀과 하부 셀은 재결합 상호연결층을 통해 직렬로 연결되며, 이 인터페이스의 품질이 캐리어의 수송과 재결합이 원활한지 여부를 결정합니다. 문제는 실리콘 이종접합(SHJ) 하부 셀의 마이크로 피라미드 텍스처 표면에 있습니다. 피라미드는 약 600nm 높이이며, 이 지형에서 재결합층은 광학적 기생 손실을 겪고 자가 조립 단분자막(SAM)은 균일하게 퍼지지 않습니다. 시간이 지남에 따라 이는 소자 성능을 저하시킵니다.

이 연구는 2~30nm 두께의 인듐 주석 산화물(ITO) 상호연결층을 측정했으며, 초박형 8nm 층이 광학 손실 감소와 표면 전위 균일성 향상이라는 두 가지 측면에서 가장 효과적임을 발견했습니다. NiOx 개질과 Poly-SAM 기능화를 그 위에 적층한 후, 단락 전류 밀도는 0.85mA cm⁻² 증가하여 20.82mA cm⁻²에 도달했고, 전력 변환 효율은 31.80%에 도달했으며, 최대 전력점 추적 500시간 후에도 소자는 초기 효율의 96%를 유지했습니다.

실험 방법

SHJ 하부 셀은 n형 실리콘 웨이퍼(두께 110±10µm)를 사용했으며, KOH 양면 텍스처링으로 약 600nm 높이의 피라미드를 형성했습니다. RCA 세척 후, PECVD로 패시베이션 및 도핑층을 순차적으로 증착했습니다: 전면에는 8nm 진성 a-Si:H(i)와 15nm n형 nc-SiOx:H(n)을, 후면에는 8nm p형 a-Si:H(p)를 증착한 후, 후면에 110nm ITO를 스퍼터링하고 700nm Ag를 증발시켰습니다. 전면에는 2, 5, 8, 10, 20, 30nm의 여섯 가지 ITO 상호연결 두께를 각각 증착하고, 180°C에서 어닐링한 후 레이저 스크라이빙했습니다.

페로브스카이트 탑 셀은 이 경로를 따랐습니다. 바텀 셀은 먼저 어닐링 및 UV-오존 처리한 후, NiOx를 마그네트론 스퍼터링으로 증착하고, 다시 어닐링 및 UV-오존 단계를 거쳤습니다. 질소 글러브박스 내에서 Poly-SAM을 스핀 코팅(0.5 mg mL⁻¹, 용매는 메탄올과 클로로벤젠 1:1)하고 100°C에서 어닐링했습니다. 페로브스카이트는 Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃로 밴드갭 1.68 eV이며, 두 단계로 스핀 코팅하고 고속 단계에서 클로로벤젠을 역용매로 떨어뜨린 후 100°C에서 20분간 베이킹했습니다. 표면은 PDADI로 처리한 후, C₆₀을 열 증착하고, SnO₂를 ALD로 성장시키고, 45 nm IZO를 스퍼터링하고, Ag 전극을 증착한 다음, 마지막으로 MgF₂ 반사 방지막으로 스택을 마감했습니다.

기술적 장점

ITO 인터커넥트 층의 광전자 특성

(a) 두께에 따른 Rsh, Ne 및 µ (n = 10); (b) ITO 층의 광흡수율 및 반사율; (c) 두께에 따른 일함수; (d) 다양한 두께에서 NiOx 처리 전후의 일함수 변화(ΔWF); (e) NiOx로 개질된 ITO 위 SAM 분포 모식도; (f) 2–30 nm 인터커넥트 ITO의 KPFM 표면 전위 맵; (g) NiOx 및 Poly-SAM 기능화 전후 8 nm 인터커넥트 ITO의 KPFM 표면 전위 맵.

홀 효과 측정 결과, 필름 두께가 증가함에 따라 면저항이 감소하는 것을 보여주었으며, 이는 예상된 결과입니다. 캐리어 농도는 8~30 nm 사이에서 약 2.8~3.5 × 10²⁰ cm⁻³로 비교적 일정하게 유지되었지만, 8 nm 미만으로 내려가면 감소하기 시작합니다. 이동도는 2~8 nm의 좁은 구간에서 약간만 감소하여 필름의 무결성이 그대로 유지되었음을 나타냅니다. 8 nm는 면저항이 충분히 낮고 전기적 성능이 붕괴되지 않은 최적 지점에 해당합니다.

(a) 텍스처링된 c-Si 바텀 셀 표면 위 ITO 층의 피크 피팅된 O 1s 고해상도 XPS 스펙트럼. (b) NiOx 개질 전후 텍스처링된 c-Si 바텀 셀 위 8 nm ITO 층의 고해상도 XPS 스펙트럼. (c) 텍스처링된 c-Si 바텀 셀 위 8 nm ITO 층의 단면 SEM 이미지. (d) 8 nm ITO 샘플의 초점 영역에 대한 해당 EDS 원소 맵, 오른쪽 상단에 색상-원소 범례.

광학적으로, ITO를 얇게 하면 450 nm 이상에서 파괴적 간섭과 약한 자유 캐리어 흡수 덕분에 반사율과 흡수율이 모두 감소했습니다.

• UPS는 두께가 얇아질수록 일함수가 증가함을 보여주었으며, NiOx 개질 및 어닐링 후 일함수 이동은 8 nm에서 최대치에 도달했습니다.

• KPFM 면 스캔 결과 10 nm 미만의 ITO가 모든 국부 션트 지점을 억제했으며, 8 nm에서 최상의 균일성을 나타냈습니다.

• XPS에서 흥미로운 세부 사항이 발견되었습니다. 8 nm ITO 표면은 20 nm보다 더 높은 수산기 밀도를 가졌으며, 이러한 수산기는 NiOx와 In─O─Ni 브리지 결합을 형성하여 NiOx가 더 고르게 퍼지고 더 견고하게 부착되도록 했습니다. 개질 후 In 신호가 완전히 사라져 커버리지 층 품질이 우수했으며, 이는 후속 SAM 자기 조립을 위한 좋은 기반을 마련했습니다.

• SEM과 EDS 또한 8 nm ITO가 텍스처 위에 등각 커버리지를 제공함을 확인했습니다.

탠덤 셀 광전지 성능

(a) 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀의 Jsc 변화; (b) Voc 변화; (c) FF 변화; (d) PCE 변화; (e) ITO 위 탠덤 셀의 단면 SEM 이미지; (f) ITO 위 페로브스카이트 필름의 XRD 패턴; (g) ITO 위 페로브스카이트 필름의 정상 상태 PL 스펙트럼; (h) 정규화된 정상 상태 PL 곡선; (i) ITO 위 페로브스카이트 필름의 과도 TRPL 감쇠 스펙트럼; (j) 탠덤 셀의 광발광 이미지, 활성 면적 0.928 cm².

6가지 ITO 인터커넥트 두께 모두 J-V 테스트를 거쳤습니다.

• 5 nm 미만에서는 Voc와 FF가 급격히 떨어졌습니다. Voc는 1.7 V를 넘지 못했고 PCE는 21.68%에 그쳤으며, 주된 원인은 피라미드 텍스처 위에서 필름이 이미 불연속적이었기 때문입니다.

• 8 nm가 최적의 답이었습니다. 단면 SEM은 초박형 ITO(10 nm 미만) 위에서 페로브스카이트 결정립이 더 크고 치밀함을 보여주었고, XRD는 더 나은 결정질 품질을 확인했지만, 5 nm 샘플에서는 PbI₂ 피크가 나타나 이미 분해가 시작되었음을 나타냈습니다. 정상 상태 PL 강도는 30 nm에서 8 nm까지 계속 증가한 후 다시 감소하여, 8 nm가 정확히 피크에 위치하며 가장 낮은 결함 밀도와 일치했습니다.

• 정규화된 PL 특성 피크는 이동하지 않았으며, 이는 계면 비방사성 재결합의 특성이 동일하게 유지되었음을 의미합니다. TRPL 캐리어 수명도 8 nm에서 가장 길었습니다. 이러한 결과는 Poly-SAM이 가져오는 더 강한 순 쌍극자와 더 균일한 일함수에 기인하며, Voc와 FF를 함께 향상시켰습니다. PL 이미징은 또한 페로브스카이트 서브셀 내부의 서브마이크론 비균일성을 드러냈지만, 초박형 고저항 ITO 층은 높은 측면 저항을 가지므로 국부 션트의 영향 범위가 효과적으로 제한되어 전체 소자를 끌어내리지 못했습니다.

전류 밀도 개선

(a) 8 nm ITO 상호연결층 하에서 페로브스카이트 및 실리콘 하위 셀의 EQE 곡선; (b) 초기 및 최적화된 탠덤 셀의 EQE 곡선.

전면 IZO 층은 성능 지수 Aw × Rsheet⁻¹로 평가되었으며, 45 nm가 가장 우수한 결과를 보였습니다. 상호연결 ITO 두께를 20 nm에서 10 nm, 8 nm로 줄임으로써 평균 Jsc는 19.78에서 19.96, 20.55 mA cm⁻²로 증가했습니다. 페로브스카이트 및 실리콘 하위 셀의 EQE 적분 전류 밀도는 각각 20.64 및 20.51 mA cm⁻²로 J-V 데이터와 일치했습니다. 20 nm ITO와 비교하여 8 nm는 페로브스카이트 하위 셀에 0.06 mA cm⁻², 실리콘 하위 셀에 0.47 mA cm⁻²의 추가 전류를 제공했으며, 실리콘 하부 셀의 근적외선 기여가 가장 크게 증가했습니다.

제품 응용

소자 성능 및 안정성

(a) 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지의 구조 개략도 및 사진; (b) 탠덤 셀의 단면 SEM 이미지; (c) 단일 접합 페로브스카이트 및 실리콘 하위 셀의 J-V 곡선; (d) 고성능 셀의 대표 J-V 곡선; (e) 30 nm에서 2 nm ITO 상호연결층으로 제작된 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀의 Rs 변화; (f) 1-선 조명 하에서 봉지된 탠덤 셀의 MPPT 테스트 결과.

ITO 상호연결 두께가 최적화되면서 탠덤 소자의 평균 PCE는 28.64%에서 30.67%로 상승했습니다. 2 nm ITO는 직렬 저항 Rs가 41.26 Ω으로 높아 직렬 연결이 사실상 끊어졌습니다. 8 nm의 Rs는 훨씬 낮아 내부 임피던스가 감소하고 최대 전력점 부근의 전압 손실이 줄었습니다. 안정성 측면에서 8 nm ITO 탠덤 셀은 500시간의 MPPT 후 초기 PCE의 96%를 유지한 반면, 20 nm 셀은 90%만 유지하여 TCO/SAM 상호연결 계열 중 가장 안정적인 셀 중 하나로 꼽혔습니다. 왜 이렇게 안정적일까요? Poly-SAM 커버리지가 높고, 이에 따라 페로브스카이트 결정화도 개선되기 때문입니다.

SAM이 적용된 영역은 표면 에너지가 낮고, 포스폰산 그룹이 Pb²⁺ 및 FA⁺와 배위하여 페로브스카이트가 천천히 그리고 질서 있게 성장하도록 유도하므로 결정립이 크게 형성됩니다. 순수 ITO 영역에서는 이러한 템플릿 효과가 없어 핵 생성이 빠르고 무질서하게 진행되어 결정립이 작아지고 결정립계가 많아집니다. 또한 Poly-SAM은 계면의 불포화 결합과 할로겐화물 공공을 패시베이션하여 할로겐화물 이동을 억제하고 분해 속도를 늦춥니다. 초박형 ITO 자체가 제공하는 균일한 표면 전위도 도움이 되며, 여러 요인이 함께 작용하여 소자 수명이 향상됩니다.

여기서의 MPPT 안정성 테스트는 3A+ 등급의 LED 태양광 시뮬레이터를 열화 광원으로 사용하며, 셀 온도와 주변 분위기를 여러 방식으로 제어하여 장기 안정성 테스트를 수행할 수 있습니다.

결론 및 전망

8 nm는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀에 최적의 ITO 상호 연결 두께입니다. 이 두께는 페로브스카이트 결정 품질을 향상시키면서 기생 흡수를 억제합니다. NiOx 개질 및 Poly-SAM 기능화 후 표면 전위가 더 균일해지고 일함수 이동이 더 뚜렷해집니다. 8 nm ITO 표면은 더 많은 수산기를 가지며, NiOx가 균일하게 분포하고, SAM이 조밀하게 패킹되며, 텍스처에 대한 등각 커버리지가 SEM 및 EDS로 확인되었습니다. 기존 20 nm ITO와 비교하여 최적화된 소자는 31.80%의 최고 효율을 달성했으며, Jsc는 0.85 mA cm⁻² 증가했고 500시간의 MPPT 후에도 초기 효율의 96%를 유지했습니다.

앞으로도 개선할 여지가 많습니다. 후면 텍스처와 광학 반사체를 더 정교하게 개선하여 실리콘 하부 셀의 광 포획을 강화하고 전류를 높이며 전류 매칭을 확실히 할 수 있습니다. FF와 Voc는 여전히 전체 효율을 제한하는 병목 지점이므로 접촉 패시베이션 전략을 더 깊이 연구해야 합니다. 실리콘 기반 터널 접합과 같은 대체 상호 연결 구조도 시도해 볼 가치가 있습니다. 생산 규모 확대 측면에서는 TCO 두께와 금속화 그리드 설계를 함께 조정하여 대면적에서 차광이 너무 심하지 않고 측면 전도가 저하되지 않도록 해야 합니다. 또한 더 얇은 층을 사용하면 인듐 사용량이 줄어들어 지속 가능성 측면에서도 이점이 있습니다.

Ooitech의 견해

여기서 주목할 점은 수 나노미터의 ITO가 600nm 피라미드 텍스처에서 광학 특성과 결정화 모두에 영향을 미칠 수 있다는 것이며, 동일한 컨포멀 커버리지 문제가 탠덤 라인이 실험실 쿠폰에서 전체 크기 모듈로 이동할 때 정확히 나타난다는 것입니다. 생산 현장에서는 태버-스트링거, 적층 및 라미네이션 공정 모두 이러한 취약한 인터커넥트 및 SAM 인터페이스를 존중해야 하며, 이는 균일하고 잘 조정된 모듈 라인 장비가 그 가치를 발휘하는 부분입니다. 이러한 공정이 실제 공장 규모에서 어떻게 보이는지 확인하려면 Ooitech YouTube 채널을 방문하세요: www.youtube.com/ooitech 을(를) 팔로우할 가치가 있습니다.