페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 높은 효율과 낮은 비용으로 인해 태양광 분야에서 연구의 중심이 되고 있지만, 전자 수송층(ETL)의 전하 재결합 및 계면 결함으로 인해 성능이 제한됩니다. SnO₂ 높은 투과율(>85%)과 화학적 안정성으로 인해 ETL에 적합한 후보 물질이지만, 본질적인 결함(산소 공석 등)으로 인해 전도도가 제한됩니다.

본 연구에서는 니오븀이 도핑된 SnO₂ (SnO₂:Nb) 원자층 증착(ALD) 기술을 사용하여 박막을 제조하였고, Meineng 페로브스카이트 온라인 투과율 테스터를 결합하여 가시광선 영역에서 투과율이 >85%가 되도록 하여 ETL의 투과율을 실시간으로 정확하게 특성화하였습니다. 이를 통해 페로브스카이트 층의 광 흡수 효율(흡수율 >90%)을 극대화하였습니다.

페로브스카이트 태양 전지의 제조

(a) nip 구조 페로브스카이트 태양 전지의 개략도; (b) S₀ 장치(비도핑 SnO2₂ ETL) 및 (c) O₅ 장치(Nb-도핑된 SnO₂ ETL) 단면 SEM 이미지

PSC 셀은 FTO 유리를 기판으로 하고 15nm SnO2를 사용하여 nip 구조를 채택합니다.₂ : Nb 또는 고유 SnO₂ ALD로 100℃에서 증착된 박막°C. Nb 도핑은 전구체 펄스 시퀀스(O 시퀀스 및 S 시퀀스)와 사이클 비율(예: 55:1, 15:1 등)을 조정하여 달성되며, 도핑량은 XPS 깊이 프로파일 분석(0~3.45 at.%)을 통해 결정됩니다. 페로브스카이트 층은 Cs입니다.₀.₀₅ (엄마₀.₁₆₆FA₀.₈₃₃) ₀.₉₅Pb(Br)₀.₁₆₆I₀.₈₃₃)₃, 항용매 지원 스핀 코팅으로 증착되고 100에서 어닐링됨°C. PTAA는 정공 수송층(HTL)으로 증착되었고 Au 전극은 열 증착으로 준비되었습니다.

전기 성능 시험 및 분석

(a) SnO 기반 PSC 셀의 전류 밀도-전압(JV) 곡선₂:Nb 및 무도핑 SnO2₂ 역방향 스캐닝 방향의 ETL; (b) 파장에 따른 외부 양자 효율(EQE) 및 통합 전류 밀도의 변화

고유 SnO의 PCE₂ ETL 장치(S₀)는 12.15%이고, 최적 SnO의 PCE는₂:Nb ETL 장치(O₁₀)는 13.08%에 도달하여 효율성이 7.65% 향상되었으며 이는 주로 Voc(1.05)의 향상에 기인합니다.→1.06V) 및 Jsc(18.81 → 20.34mA/cm²).

저도핑(≤0.2 at.%) 장치(예: O₅₅, 오₁₀) 직렬 저항(R) 감소로 인해 전하 전달 효율이 크게 최적화됩니다.ₛ=48.35 Ω·cm² vs. 62.10 Ω·cm² S의₀)과 병렬 저항(R)의 증가ₛₕ=12.77 Ω·cm² vs. 5.32 Ω·cm² S의₀). 고농도 도핑(>0.2 at.%) 장치(예: S₅, Nb=3.45 at.%)는 FF가 32.70%로 갑자기 감소합니다(Rₛ=443.67 Ω·cm²), PCE가 6.12%로 떨어지는 결과를 초래했는데, 이는 과도한 도핑으로 인해 계면 저항과 결함이 발생한다는 것을 나타냅니다.

페로브스카이트층의 특성에 관한 연구

(a) FTO/O의 상단 SEM 이미지₁₀/Pk 반전지; (b) 다른 ETL을 갖는 페로브스카이트 층의 XRD 패턴; (c) 페로브스카이트 층의 광 투과 스펙트럼

XRD 및 SEM은 ETL의 모든 페로브스카이트 층이 밀도가 높은 입자(크기 60)를 나타낸다는 것을 보여줍니다.–70nm) 및 (100) 우선 방향 및 PbI₂ 불순물은 계면에서 농축되지 않으며, 이는 ETL 변형이 페로브스카이트의 결정성에 영향을 미치지 않는다는 것을 증명합니다.

페로브스카이트층의 광흡수 특성은 태양 스펙트럼 활용 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 태양 전지UV-Vis-NIR 투과 및 흡수 스펙트럼 분석 결과 다음 사실이 밝혀졌습니다.

흡수단 위치: 모든 샘플은 765nm에서 뚜렷한 흡수단을 보이며, 이는 1.62eV의 광학적 밴드갭(Eg)에 해당합니다. 이는 삼원 양이온 페로브스카이트의 일반적인 밴드갭과 일치하며, Nb 도핑이 페로브스카이트의 물리적 광학적 특성을 변화시키지 않음을 시사합니다.

흡광도 및 투과도 : 가시광선 영역(400–750nm), 페로브스카이트층의 흡광도는 90%를 초과하는 반면, SnO의 투과율은₂ 또는 SnO₂:Nb ETL은 >85%로, 이는 ETL의 높은 투명도 덕분에 입사광이 페로브스카이트 층에 완전히 흡수되어 광학적 손실이 줄어든다는 것을 나타냅니다.

캐리어 동역학 및 대역 엔지니어링

조명 하의 PSC 셀의 임피던스 스펙트럼(나이퀴스트 플롯): (a) 단락 회로 조건(V_DC=0V); (b) 개방 회로 조건(V_DC=Vₒc)

임피던스 스펙트럼 분석: 직렬 저항(Rₛ=48.35 Ω·cm²) 저 Nb 도핑 장치(O₁₀)은 무도핑 S보다 낮습니다.₀ (62.10 Ω·cm²), 캐리어 전송 효율이 향상되었음을 나타냅니다.

(a) 정상 상태 광발광(PL) 스펙트럼; (b) 과도 광발광(TRPL) 붕괴 곡선; (c) 페로브스카이트, SnO의 에너지 밴드 다이어그램₂ 그리고 SnO₂:Nb ETL

TRPL 붕괴: O의 캐리어 수명₁₀ 장치 (τ=461ns)는 S보다 상당히 높습니다.₀ (149ns) 인터페이스 비방사 재결합이 감소되었음을 나타냅니다.

밴드 정렬: Nb 도핑은 SnO를 만듭니다.₂ 전도대가 페로브스카이트 전도대에 가까워 전자 추출 장벽이 낮아지고 계면 전하 축적이 억제됩니다.

본 연구에서는 SnO의 전도도와 밴드 매칭을 연구하였다.₂:Nb ETL은 Nb 도핑 농도를 정밀하게 제어함으로써 크게 개선될 수 있습니다.≤원자층 증착(ALD) 기술을 통해 0.2 at.%)의 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 광전변환 성능을 최적화했습니다. 이 연구는 SnO2의 높은 투과율이₂:Nb ETL(투과율 > 85%)은 페로브스카이트 층이 입사광을 완전히 흡수(흡수율 > 90%)하여 광학적 손실을 효과적으로 줄입니다.