불소 도핑 산화 주석(FTO) 상에 전기도금된 SnO₂ 박막이 평면 헤테로접합 페로브스카이트 태양전지(PSC)에서 효과적인 전자 수송층(ETL) 역할을 할 수 있음을 입증했습니다. 인가 전압, 욕조 온도, 증착 시간을 세밀하게 조절하여 SnO₂ 박막의 형태와 두께를 제어했고, 이는 광전 성능을 지배합니다. 적당한 TiCl₄ 가수분해 처리는 전하 추출을 최적화하고 재결합을 억제하여 전력 변환 효율(PCE)을 10.8%에서 15.0%로 향상시켰습니다. 이 연구는 롤투롤 PSC 생산과 호환되는 저비용, 확장 가능한 고품질 ETL 제조 경로를 제시합니다.
지난 6년간 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 기존 광전 기술을 효율 면에서 능가하여 25% 이상의 PCE를 달성하면서 저비용 제조를 유지했습니다. 뛰어난 광흡수, 양극성 전하 수송, 긴 캐리어 확산 길이로 차세대 태양광 모듈에 매력적입니다. 그러나 페로브스카이트 층은 습기, 열, UV 노출에 취약합니다. 포름아미디늄이나 무기 양이온(Cs⁺, Rb⁺)을 페로브스카이트 격자에 도입하는 전략이 소자 안정성을 연장했지만, 전체 내구성은 소자 구조(n-i-p 대 p-i-n)와 전자 수송 물질 선택에도 의존합니다.
TiO₂는 넓은 밴드갭과 적절한 밴드 정렬로 n-i-p PSC의 ETL로 오랫동안 선택되어 왔습니다. 그러나 UV 유도 광화학과 상대적으로 낮은 전도도는 히스테리시스를 유발하고 장기 성능을 제한할 수 있습니다. Li 도핑이나 표면 패시베이션이 이러한 문제를 완화할 수 있다는 보고가 있으나, 이런 수정은 공정 복잡성을 더합니다.
산화 주석(SnO₂)은 매력적인 대체 ETL로 부상합니다. ~3.6 eV 밴드갭, 더 높은 고유 전도도, TiO₂ 대비 우수한 화학적 안정성으로 향상된 전하 추출과 감소된 히스테리시스 잠재력을 제공합니다. SnO₂는 졸-겔, 마이크로파, ALD, 전기화학적 방법 등으로 증착 가능하지만, 전기도금은 단순성, 저비용, 확장성으로 롤투롤 PSC 제조에 이상적입니다.
표준 3전극 셀에서 연전류 전압법(CV) 기술로 전기도금을 수행했습니다. 탈수에 0.05 M SnCl₂·2H₂O 용액(1 mL HNO₃ 첨가)을 전해질로 사용했습니다. 60°C에서 1시간 교반 후, 증착 전 10분간 질소로 퍼지했습니다. FTO 기판을 작동 전극으로, Pt 판을 대극으로, Ag/AgCl(1 M KCl)을 기준 전극으로 사용했습니다. 증착 후 400°C에서 30분간 공기 중 어닐링하여 Sn을 SnO₂로 변환했습니다.
SnO₂/FTO 기판을 n-i-p PSC 구조에 사용했습니다. PbI₂/PbCl₂ 전구체(1 M, 1:1 몰비)를 5,000 rpm으로 30초 스핀 코팅한 후, 메틸암모늄 요오드화물(40 mg/mL) 처리하고 105°C에서 75분 어닐링하여 MAPbI₃₋ₓClₓ를 형성했습니다. 정공 수송 물질(HTM)은 20 mg/mL 폴리[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](EM-Index)에 Li-비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드와 tert-부틸피리딘 첨가제를 포함하여 3,000 rpm으로 30초 스핀 코팅했습니다. 마지막으로 금 접점을 열증착했습니다. TiCl₄ 처리 소자의 경우, 전기도금 SnO₂ 박막을 40 mM TiCl₄에 70°C에서 30분 담근 후 150°C에서 건조했습니다.
전기화학적 거동은 순환 전압전류법(50 mV/s)으로 조사했습니다. 구조 분석은 X선 회절(Cu Kα)로, 표면 형태는 전계 방사 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 관찰했습니다. 광전 성능(J-V 곡선)은 0.098 cm² 활성 영역에서 100 mW/cm² AM 1.5G 조명 하에 측정했습니다. 외부 양자 효율(EQE)은 단색기 구동 크세논 램프로 기록했습니다. 정상 상태 광발광(PL)과 강도 변조 광전압 분광법(IMVS)으로 전하 역학과 재결합 수명에 대한 통찰을 얻었습니다.
SnCl₂ 용액의 CV 스캔에서 -0.5 V에서 음극 전류 개시를 보여 -0.7 V를 최적 증착 전위로 선택했습니다. 다양한 전위에서의 SEM 이미지는 -0.7 V에서 균일한 SnO₂-Sn 나노구체를 생성하는 반면, 더 음의 전위에서는 불규칙한 응집 퇴적을 보였습니다.
증착 시간 최적화(150-210 s)에서 180 s가 표면 커버리지와 입자 밀도 간 최적 균형을 이루어 10.0% PCE를 달성했습니다. 단락 전류 밀도(Jsc)는 180 s까지 증착 시간 증가에 따라 향상되었으나 210 s에서 과도한 응집과 직렬 저항 증가로 감소했습니다.
욕조 온도 연구에서 60°C 증착 욕조가 가장 매끄럽고 균일한 SnO₂ 박막을 생성하여 최고 효율(10.5%, TiCl₄ 없이)을 보였습니다. 더 높은 온도(70°C)는 박막 두께를 증가시켜 투명도를 낮추고 전하 수송을 방해했으며, CV 레독스 측정에서 더 큰 피크-피크 분리로 입증되었습니다.
TiCl₄ 가수분해 처리는 소자 성능을 크게 향상시켰습니다: Jsc가 18.12에서 18.65 mA/cm²로, 충전율(FF)이 57.3%에서 79.1%로, PCE가 10.83%에서 14.97%로 향상되었습니다(38% 향상). EQE 스펙트럼은 전체 스펙트럼 영역에서 더 높은 외부 양자 효율을 확인했으며, 정상 상태 PL 소멸과 더 긴 재결합 수명(1.17배)은 ETL/페로브스카이트 계면에서 더 효율적인 전자 주입과 감소된 재결합을 나타냅니다.
FTO 상에 SnO₂ ETL을 제조하기 위한 확장 가능한 전기도금 프로토콜을 확립하여 고성능 평면 페로브스카이트 태양전지를 구현했습니다. 증착 전압, 시간, 욕조 온도를 미세 조정하고 간단한 TiCl₄ 표면 처리를 적용하여 42% PCE 향상을 달성했으며, 이 저비용 롤투롤 호환 제조 경로의 실행 가능성을 입증했습니다.
나노물질
요약 본 연구에서는 무기 주석 도핑 페로브스카이트 양자점(PQD)을 탄소 기반 페로브스카이트 태양전지(PSC)에 도입하여 광전 성능을 개선하였다. 첫째, Sn2+ 도핑 함량을 조절함으로써 주석 도핑 PQD의 에너지 준위를 조정하여 최적의 밴드 정렬과 광생성 전자-정공 쌍의 분리 향상을 실현하였다. 둘째, 자체 p-타입 도핑 효과로 인해 상대적으로 높은 수용체 농도를 가진 주석 도핑 PQD의 도입은 페로브스카이트 후면 근처의 공핍 영역 폭을 감소시켜 정공 추출을 강화하였다. 특히 CsSn0.2Pb0.8I3 양자점(QD) 첨가 후, 기
초록 산화물/금속/산화물(OMO) 다층 구조는 박막 태양전지 전면 전극으로 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체합니다. 이 다층 구조는 전체 전극 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 이용해 셀 색상 구현도 가능합니다. 그러나 시트 저항과 기생 흡수는 금속 층에 크게 의존하므로 태양전지 고효율 달성을 위해 추가 감소가 필요합니다. 본 논문에서는 Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) 박막 태양전지 성능 향상을 위해 OMO 전극에 AgOₓ 웨팅 층을 적용했습니다. AgOₓ 웨팅 층이 다층 전극 투과율과 전도성을 높이는 효과적 수단임을 보였습
