페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 이론 효율이 40%를 넘어 태양광 분야에서 주목받는 연구 분야입니다. 그러나 투명 전극의 광학적 손실(반사 및 기생 흡수 등)은 단락 전류 밀도(JSC) 향상에 심각한 제약을 가합니다. IZO(아연 도핑된 인듐 산화물) 및 IZrO(지르코늄 도핑된 인듐 산화물)와 같은 기존의 단일층 투명 전도성 산화물(TCO)은 낮은 결정성과 불충분한 캐리어 이동도와 같은 문제점을 가지고 있습니다.

본 연구에서는 구배 굴절률 반사 방지 전략과 결합한 IZrO/IZO 다층 필름을 설계하고, Meineng 페로브스카이트 필름 두께 테스터를 사용하여 필름 증착 프로세스를 실시간으로 모니터링하고, 전극 성능을 최적화하고, 궁극적으로 탠덤 셀의 효율을 30% 이상으로 향상시켰습니다.

IZrO/IZO 다층막의 두께 최적화

풀텍스처 PIN형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 구조의 개략도 셀

연구팀은 고주파 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용하여 총 두께 80nm의 유리 기판에 IZrO2와 IZO층을 교대로 증착했습니다. 주요 공정 변수는 다음과 같습니다.

IZO층: 스퍼터링 압력 1.5 mTorr, 전력 밀도 2.2 W/cm², 산소 분압 3%;

IZrO층: 스퍼터링 압력 0.9 mTorr, 전력 밀도 3.1 W/cm², 산소 분압 0.06%.

박막의 결정성과 광전자 특성은 두께 비율(예: IZrO3:IZO = 45:35 nm)을 조절하여 최적화되었습니다. XRD 분석 결과, 다층 박막은 50~70 nm의 결정립 크기를 갖는 (222) 및 (400) 이중 배향 구조를 나타내며, 이는 결정립계 산란을 크게 감소시킵니다.

페로브스카이트/실리콘 탠덤 제조 공정 셀

하부 셀 처리: 20 nm ITO가 터널 접합으로 텍스처 처리된 실리콘 이종접합(SHJ) 하부 셀에 증착됩니다.

정공 수송층: 30 nm NiOx가 스퍼터링되고 2PACz 자가 조립 단층(SAM)이 도입됩니다.

페로브스카이트 흡수층: 페로브스카이트 필름을 용액법으로 증착합니다.

전자 전달층: 15 nm GeO를 증발시키고 20 nm SnO₂를 원자적으로 증착(ALD)합니다.

투명 전극 통합: 스퍼터링 IZrO/IZO 다층 필름(45/35 nm)을 상부 전극으로 사용합니다.

금속 전극: Ag 그리드 선은 열적으로 증발되고, 활성 영역은 1.05 cm²로 교정됩니다.

단일층 필름의 성능 결함

(b) IZO 및 IZrO 단일층 필름의 광 투과율 비교; (c) 단일층 IZO 투명 전극을 사용한 적층 셀의 JV 곡선; (d) 단일층 IZrO 투명 전극을 사용한 적층 셀의 JV 곡선; (e) 단일층 IZO 및 IZrO 투명 전극을 사용한 챔피언 셀의 EQE 스펙트럼

광학 성능:

IZO의 가시광선 영역(400~800nm)에서의 평균 투과율은 80.05%이고, 근적외선 영역(800~1200nm)에서의 투과율은 약간 낮습니다.

IZrO2의 가시광선 영역에서의 투과율은 81.25%에 이르나, 근적외선 영역에서의 투과율은 충분하지 않습니다.

전기적 병목 현상:

IZO는 비정질 구조로 인해 낮은 캐리어 이동도를 가지며, 시트 저항은 60.5 Ω·sq⁻¹입니다.

IZrO는 낮은 캐리어 농도(n = 4.81 u×1020cm-3)를 가지며, 시트 저항은 71.5 Ω·sq⁻¹입니다.

셀 성능:

개방 회로 전압(VOC) < 1900 mV) 및 충전율(FF) < 단층 전극의 79.4%) 세포 제한되어 있으며 PCE는 29.5%를 초과하지 않습니다.

다층 필름 성능 최적화

IZrO/IZO 다층박막의 결정화 특성 및 광전 특성

(a) 캐리어 이동도, 시트 저항 및 캐리어 농도; (b) 시트 저항; (c) XRD 패턴; (d) IZrO 단일층 박막의 단면 SEM 이미지; (e) IZrO/IZO 다층 박막의 단면 SEM 이미지; (f) IZrO/IZO 다층 박막의 광투과율 비교

최적화된 다층 필름(45/35nm)은 다음과 같은 성능을 보입니다.

전기적 특성: 캐리어 이동도, 시트 저항 Rsq = 56.7 Ω·sq⁻¹, 단일층 필름보다 우수함

향상된 결정성: 이중 방향 구조는 결정립계 산란을 감소시키고 결정립 크기가 50~70nm로 증가합니다.

굴절률의 기울기가 반사율과 기생 흡수에 미치는 영향

(a) IZO 박막, IZrO 단층 박막 및 SnO₂ 완충층의 굴절률 및 소광계수; (b) IZrO/IZO 다층 투명전극을 적층한 셀의 입사광 경로도; (c) 광반사율 비교; (d) 광투과율 비교; (e) 광흡수계수 비교; (f) IZO, IZrO 단층 박막 및 IZrO/IZO 다층 박막의 품질 인자 비교

굴절률 기울기 설계: IZrO(n ≈ 1.9), IZO(n ≈ 1.8) 및 SnO₂ 완충층(n ≈ 1.6)은 연속적인 굴절률 기울기를 형성하며, 반사율은 단일층 필름보다 3.11% 낮습니다.

투과율 이점: 전체 대역의 평균 투과율은 81.68%에 달하고 기생 흡수 계수는 10~15% 감소합니다.

두께 비율이 다르면 필름 성능에 큰 영향을 미칩니다.

IZrO:IZO = 30:50 nm: 필름 표면 거칠기가 증가(RMS > 5 nm)하여 투과율이 78.3%로 떨어집니다.

IZrO:IZO = 50:30 nm: 근적외선 영역에서 투과율이 부족함(800–1200 nm 평균 투과율 76.2%)

최적의 비율 45:35 nm: 전체 대역에 걸친 평균 투과율은 81.68%에 도달하고, 표면 거칠기는 3.2 nm로 떨어지며(AFM 테스트), 입자 크기는 균일합니다(50–70 nm).

적층 셀의 성능 향상

챔피언 셀의 태양광 성능 (a) JV 곡선은 30.74%의 효율을 보여줍니다. (b) EQE 스펙트럼은 상단 및 하단 셀 간의 전류 일치를 보여줍니다.

IZrO/IZO 다층 전극을 사용한 적층 셀의 주요 지표:

JSC: 19.86 mA/cm² (EQE 통합 전류 매칭 > 99%)

VOC: 1916 mV(저항이 낮아 전압 손실이 줄어듭니다)

FF: 80.75% (에너지 레벨 일치로 비방사 재결합 감소)

PCE: 30.74%(실온에서 스퍼터링 TCO 전극의 가장 높은 효율 중 하나).

본 연구는 격자 최적화 및 굴절률 구배 전략을 접목한 IZrO2/IZO 다층 박막 설계를 통해 투명 전극의 광전 성능을 크게 향상시켰습니다. 적층 셀의 효율은 30%를 초과하여, 전극의 산업화 가능성을 검증했습니다.