신세대 태양광 기술로서 산업화 과정 페로브스카이트 태양 전지 대규모 제조 품질 관리라는 핵심 과제에 직면하고 있습니다. 본 연구는 혁신적인 비파괴 특성 분석 기술인 k-파라미터 이미징(k-imaging)을 제안합니다. 이 기술은 광 세기에 따른 광발광(PL)의 거듭제곱 법칙 관계를 분석하여 페로브스카이트 박막 품질을 빠르고 정확하게 평가합니다.

광도 의존형 광발광 PL 이미징 기술

(a) 실험장치의 개략도 (bc) PL 강도 영상 및 전력 법칙 피팅 (d) k 매개변수 공간 분포도

k 매개변수의 물리적 의미

이 연구에서는 페로브스카이트 필름의 PL 강도가 여기 광 강도와 거듭제곱 법칙 관계를 따르며, 여기서 지수 k는 명확한 물리적 의미를 갖는다는 것을 발견했습니다.

k→1: 복사 재결합이 우세함(고품질)

k→2: 결함 보조 비방사 재결합이 중요합니다. 속도 방정식을 유도하면 k 값과 비방사 재결합 효율 ηnr 사이에 정량적인 관계가 성립합니다. ηnr≈(k-1)

이미징 시스템 설계 위 그림은 자체 구축된 광학 시스템을 보여줍니다.

여기 소스: 듀얼 467nm LED 어레이, 달성 <3% 불균일도(135×75mm²)

검출 모듈: 715nm 장파장 통과 필터 + sCMOS(70μm/픽셀)

다중광 강도 여기: 18단계 기울기(0.01~0.1suns), 단일 측정 5분

시스템은 픽셀 단위의 거듭제곱 법칙 피팅을 통해 k 분포도를 얻습니다. 표준 표본 검정 결과 k=1.53±0.01로 나타나며, 이는 약 30%의 비복사 손실에 해당합니다.

간섭 방지 검증 실험

간섭방지 검증(ab) 비균일 여기 대비(cd) 거울 반사 간섭 실험

연구진은 k 이미징 기술이 광학적 아티팩트에 대해 내성을 갖는지 확인하기 위해 두 가지 대조 실험을 설계했습니다. 비균일 여기 실험에서는 가장자리 영역에서 23%의 광 세기 증가를 인위적으로 생성했습니다. PL 세기가 상당한 기울기 변화를 보였지만, k 매개변수의 공간 분포는 균일하게 유지되었습니다. 이러한 현상은 속도 방정식 이론으로 설명할 수 있습니다. k 매개변수는 본질적으로 재결합 메커니즘의 비례 관계를 반영하며 절대 광 세기와는 무관합니다.

두 번째 실험에서는 샘플 부분을 거울 위에 배치했습니다. 그 결과 거울 반사 영역의 PL 강도가 44% 증가한 반면, k 값 차이는 1% 미만이었습니다. 이 결과는 매우 중요합니다. 기존 PL 이미징에서는 기판 반사율 차이로 인한 신호 변동이 필름 품질 변화로 잘못 판단되는 경우가 많았지만, k 매개변수는 이러한 오진 위험을 효과적으로 방지합니다. 이는 산업 분야에서 흔히 볼 수 있는 다양한 기판 환경에서 특히 중요합니다.

정공 수송층 HTL 계면 진단

인터페이스 엔지니어링 평가(ac) 3개의 홀 수송층(de)의 k 이미징 적분구 검증

세 가지 정공 수송 구조가 페로브스카이트 박막의 품질에 미치는 영향을 비교함으로써, k 값이 계면 결함 밀도와 직접적인 관련이 있음을 알 수 있습니다. 2PACz 계면층을 도입하면 k 값이 1.61에서 1.54로 감소하여 비방사성 재결합이 감소함을 나타냅니다. 반면, 스핀 코팅된 NiOx 층은 표면 결함으로 인해 k 값이 1.62로 증가하여 계면 공학이 재결합 과정에 미치는 조절 효과를 검증합니다.

패시베이션 공정 최적화

패시베이션 농도 최적화 (광고) PEAI 기울기 실험 (c) TRPL 증거

PEAI 벌크 패시베이션 농도 최적화에 k 이미징을 적용했습니다. PEAI 농도가 0mg/ml에서 10mg/ml로 증가함에 따라 k 값은 단조 감소하는 경향을 보였지만, 태양 전지 Voc는 7.5 mg/ml에서 1.17 V의 피크에 도달한 후 감소합니다. TRPL 테스트 결과, 캐리어 수명은 7.5 mg/ml에서 312 ns에 도달하며, 이는 부동태화되지 않은 샘플보다 75% 더 높습니다.

추가 임피던스 분석 결과, 과도한 PEAI는 벌크 품질을 지속적으로 향상시키지만(k↓), 절연층 효과를 유발하여 직렬 저항이 증가하고 FF가 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 k 이미징의 고유한 가치를 반영합니다. 즉, 패시베이션 효과를 독립적으로 평가하고 전체 성능 매개변수의 상호 결합 간섭을 피할 수 있습니다. 태양 전지.

본 연구에서 개발된 k 파라미터 이미징 기술은 광 강도 의존성 광발광(PL)의 멱함수 법칙 분석을 통해 페로브스카이트 박막의 품질을 정확하게 평가합니다. 실험을 통해 이 방법이 광학적 아티팩트에 대한 탁월한 강인성을 가지며, 계면 공학적 영향을 효과적으로 진단하고 패시베이션 공정 윈도우를 최적화할 수 있음을 보여주었습니다. 특히, k 파라미터와 Voc 변화(감도 20mV) 간의 상관관계는 생산 라인에서 실시간 품질 의사결정에 신뢰할 수 있는 기반을 제공합니다.