4단자(4T) 페로브스카이트 탠덤 태양 전지(TSC)는 서브셀을 독립적으로 최적화하고 전류 매칭 한계를 극복함으로써 상당한 효율 향상을 보입니다. 모듈식 설계는 유연한 소재 선택 및 제조 공정을 지원하여 단일 접합 소자의 효율 한계를 극복하는 중요한 방법으로 자리 잡고 있습니다. 본 논문에서는 4단자 탠덤 태양 전지(PVK/Si, PVK/CIGS 등)의 핵심 구조와 다양한 구성에 중점을 두고, Meineng QE 양자 효율 테스터에서 제공하는 핵심 데이터를 통해 성능 개선 전략과 과제를 분석합니다.

4단자 적층의 핵심 구조적 장점 태양 전지

페로브스카이트 구조 및 4단자 적층 셀의 개략도

(a) 닙 구조;(b) 핀 구조;(c) 4단자 적층 셀 소자 아키텍처;(d) 효율 진화;(e) 이론적 효율 한계

4단자 구조에서, 넓은 밴드갭(WBG) 페로브스카이트 상부 셀과 좁은 밴드갭(NBG) 하부 셀은 기계적 적층을 통해 전기적으로 분리됩니다. 상부 셀은 닙(nip) 또는 핀(pin) 구조를 채택하고, 하부 셀은 실리콘, CIGS, 유기 또는 페로브스카이트 소재로 제작될 수 있습니다. 핵심 장점은 다음과 같습니다.

독립적인 최적화: 하위 셀은 각각 최상의 소재와 공정을 선택할 수 있습니다(고온 처리된 닙탑 셀과 저온 하부 셀이 호환 가능).

전류 불일치: 전류 매칭이 필요 없으므로 광범위한 갭 조합 선택 범위가 확대됩니다(예: PVK/Si 이론 효율 상한은 46%).

높은 안정성: 하위 셀이 독립적으로 작동하고, 국부적인 손상이 전체 기능에 영향을 미치지 않으며 시스템 오류의 위험을 줄여줍니다.

광학 관리: 상단 셀은 높은 빛 투과율을 가져야 합니다(예: DMSA 처리로 표면 거칠기가 10.5nm로 낮아지고 근적외선 투과율은 83.94%에 도달). 이렇게 하면 하단 셀이 효과적으로 빛을 흡수할 수 있습니다.

PVK/Si 적층 셀

4단자 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀의 성능 및 안정성

(에이) 구조 다이어그램; (b) 단면 SEM 이미지; (c) 하위 셀 JV 곡선; (d) 상단 셀 및 하단 셀 EQE 스펙트럼; (e) 1cm² 상단 셀 실제 이미지; (f) 패키지된 장치의 상단 및 하단 보기; (g) 효율성 안정성

PVK/Si 스태킹은 실리콘의 높은 안정성(시장 점유율 90% 이상)과 페로브스카이트의 효율적인 스펙트럼 활용을 결합한 것입니다.

효율성 혁신: 실리콘 헤테로접합(SHJ), TOPCon 및 기타 기술과 결합된 4단자 PVK/Si의 효율은 30%를 초과합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

계면 엔지니어링: 연구에 따르면 ITO 표면을 불산/자외선 오존으로 처리하고 자가 조립 단층(SAM)의 흡착을 최적화하면 상단 셀 효율이 22.9%에 도달하고 스태킹 효율은 30.3%에 도달하는 것으로 나타났습니다.

안정성 향상: 루비듐이 도핑된 CsFAMA 페로브스카이트를 도입한 비패키지 소자는 42일간의 낮과 밤 사이클 후에도 초기 효율의 98%를 유지했습니다.

광학 최적화: AZO 및 IZRO와 같은 높은 투과율의 적외선 전극을 사용하고(예: IZRO의 투과율은 ITO보다 10% 더 높음) 역피라미드 질감 유리를 도입하여 반사 손실을 줄입니다.

PVK/CIGS 스태킹 셀

4단자 페로브스카이트/CIGS 탠덤 셀 성능

(a) 적층 구조; (b) 반투명 페로브스카이트 상부 셀 JV 곡선; (c) 상부 셀 및 필터링된 CIGS 하부 셀 EQE 스펙트럼; (d) 탠덤 효율에 대한 페로브스카이트 밴드갭의 시뮬레이션 예측.

하단 셀인 CIGS(밴드갭 ~1.0 eV)는 넓은 밴드갭 페로브스카이트에 대한 이상적인 스펙트럼 보완을 형성합니다.

효율 기록: 4양이온 페로브스카이트(CsRbFAMA)와 CIGS 하부 셀을 결합하여 효율이 23.9%에 도달했습니다. 주요 발전 사항은 다음과 같습니다.

전극 혁신: 광투과율과 전도도를 향상시키기 위한 다층 전극(유전체/금속/유전체) 개발.

재료 호환성: MoO 제거ₓ 스퍼터링 손상을 방지하기 위한 버퍼 층을 두었고, 상단 셀 효율은 19.5%, 탠덤 효율은 26.2%입니다.

과제: CIGS 하부 셀의 적외선 반응은 TCO의 기생 흡수(예: AZO 흡수율 >3%)에 의해 제한되며 전극 설계를 최적화해야 합니다.

PVK/유기 탠덤 셀

CsPbI의 성능₂.₂₅Br₀.₇₅ 드롭 코팅으로 제조된 박막

(에이) 균일한 표면의 SEM 이미지; (b) 드롭 코팅 및 스핀 코팅 장치의 JV 곡선; (c) 반투명 셀의 투과율; (d) 필터링 후 유기 바닥 셀의 JV 곡선; (f) 유기 셀의 수명에 대한 광 필터링의 효과

페로브스카이트와 결합된 유기 태양 전지(OSC)의 가볍고 유연한 특성은 자동차 및 웨어러블 장치에 적합합니다.

효율 잠재력: CsPbI를 결합하면 효율이 22.34%에 도달합니다.₂.₂Br₀.2₅ 상단 셀과 PM6:Y6 유기 하단 셀. 주요 특징은 다음과 같습니다.

자외선 차단: 페로브스카이트 상단 셀은 자외선 필터 역할을 하여 유기 셀의 수명을 연장합니다(120시간 조명 후에도 효율은 86%로 유지됩니다).

공정 혁신: 드롭 코팅 방식은 페로브스카이트 필름의 균일성을 개선하고 결함 밀도를 감소시킵니다.

제한 사항: 유기 소재는 안정성이 낮고 산화 방지 및 투명도가 높은 전극(예: 은 나노와이어/PEDOT:PSS)을 개발해야 합니다.

모든 페로브스카이트(PVK/PVK) 적층 셀

전페로브스카이트 4단자 탠덤 셀의 성능

(a) 셀 구조; (b) 반투명 상단 셀과 필터링된 하단 셀의 JV 곡선; (c) 각 하위 셀의 EQE 스펙트럼; (d) 정상 상태 전력 출력

모든 페로브스카이트 탠덤은 구성 요소(상위 1.67)를 조정하여 밴드갭 매칭을 달성합니다.–1.75 eV, 하단 0.80–1.20 eV), 저온 용액 처리 및 롤투롤 제조를 지원합니다.

효율 혁신: DBSA 첨가제를 사용하여 WBG 페로브스카이트의 결정 배향을 조정함으로써, 상부 셀 효율은 22.4%, 탠덤 셀 효율은 28.06%를 달성했습니다. 주요 전략은 다음과 같습니다.

밴드갭 조절: Sn-Pb 합금 페로브스카이트 하부 셀의 밴드갭은 1.25eV로, 1.66eV 상부 셀과 보완됩니다.

결함 수동화: 아세틸콜린 염화물(ACh)은 PEDOT:PSS 계면을 개질하여 비방사성 재결합을 줄입니다.

도전 과제: Sn²⁺ 쉽게 산화되며 불활성 분위기 캡슐화가 필요합니다. 좁은 밴드갭 페로브스카이트는 캐리어 수명이 짧습니다.<20나노초).전페로브스카이트 4단자 탠덤 셀 성능 요약

4단자 페로브스카이트 탠덤 태양전지는 구조적 혁신과 소재 시너지 효과를 통해 효율과 유연성 측면에서 상당한 이점을 보여주었습니다. PVK/Si 및 PVK/CIGS와 같은 구성에서 30% 이상의 효율 혁신을 달성한 올 페로브스카이트 탠덤 태양전지는 저비용 제조에 큰 잠재력을 가지고 있으며, 새로운 구조는 적외선 스펙트럼 활용에 새로운 차원을 제시합니다.