🔬 applied physics

Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells

순차적으로 증착된 와이드 밴드갭 및 내로우 밴드갭 페로브스카이트 적층 구조에서 서로 다른 고체 상태 전환 메커니즘을 밝혀냄으로써, 본 연구는 19.2%의 효율과 향상된 열적 안정성을 갖춘 최초의 증착형 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지를 가능하게 하는 설계 원칙으로서 밴드갭 특이적 제어를 확립한다.

원저자: Huagui Lai, Amber Wright, Nick Huber, Niels Uythoven, Federico De Giorgi, Jincheng Luo, Tristan Sachsenweger, Sunil B. Shivarudraiah, Chih-Jen Shih, Wolfgang Tress, Fan Fu

게시일 2026-09-18

📖 3 분 읽기☕ 가벼운 읽기

CC BY 4.0

원저자: Huagui Lai, Amber Wright, Nick Huber, Niels Uythoven, Federico De Giorgi, Jincheng Luo, Tristan Sachsenweger, Sunil B. Shivarudraiah, Chih-Jen Shih, Wolfgang Tress, Fan Fu

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

태양 에너지는 오랫동안 근본적인 한계에 부딪혀 왔습니다. 단일 층의 재료는 태양광의 특정 영역만을 포착할 수 있어, 나머지 빛은 그대로 통과시키거나 낭비되는 열로 변환하기 때문입니다. 이 장벽을 깨기 위해 과학자들은 두 개의 서로 다른 층을 위아� 아래로 쌓아 올려, 상단 층이 고에너지 빛을 잡고 하단 층이 나머지를 잡는 탠덤 셀(tandem cell)을 만드는 데 주목했습니다. 이 작업에 가장 유망한 재료는 페로브스카이트(perovskite)라고 불리는 결정류로, 이는 다양한 색상의 빛을 흡수하도록 조정될 수 있습니다. 이러한 셀들은 실험실에서 인상적인 효율 수준에 도달했지만, 현재는 액체 화학 물질을 사용하여 만들어집니다. 이 방식은 독성 용매를 포함하며, 대형화하거나 유연하고 산업 규모의 패널로 확장하기 어려운 복잡한 단계를 수반합니다. 더 깨끗하고 정밀한 대안은 진공 상태에서 이 층들을 처음부터 구축하는 것인데, 이는 마치 창문에 서리가 내리는 것처럼 고체 재료를 증발시켜 박막을 형성하는 방식입니다. 그러나 이 진공 방식은 단순한 층을 만드는 데는 효과적이지만, 과학자들은 액체의 도움 없이 탠덤 셀에 필요한 복잡한 혼합 재료 층을 만드는 방법을 이해하는 데 어려움을 겪어 왔습니다.

연구팀은 이제 이 진공 증착 층들이 작동하는 태양 전지로 어떻게 변형되는지를 실시간으로 관찰함으로써 이 난제를 해결했습니다. 그들은 이 과정이 단일하고 균일한 사건이 아니라, 만들어지는 재료의 종류에 따라 두 가지 완전히 다른 경로를 따른다는 것을 발견했습니다. 청색과 녹색 빛을 흡수하도록 설계된 상단 층을 만들 때는, 최종 결정 구조가 형성되기도 전에 재료들이 빠르고 고르게 섞였습니다. 연구진은 이 층이 흡수하는 빛의 색상이 다른 성분들의 비율과는 상관없이, 특정 브롬 함유 성분이 얼마나 첨가되었는지에 따라 결정된다는 것을 발견했습니다. 이 시스템은 마치 최종적인 맛이 다른 재료들의 비율이 아닌 핵심 향신료의 총량에 달려 있는, 잘 섞인 수프와 같이 작동합니다.

이와 극명하게 대조적으로, 주석과 납의 혼합물을 사용하여 적색 및 적외선을 흡수하도록 설계된 하단 층은 훨씬 더 혼란스러운 경로를 따릅니다. 유기 성분이 추가되자마자 층 사이의 계면에서 반응이 시작되어, 남은 재료들을 아래에 가두는 단단한 껍질을 형성합니다. 이 초기 형성은 재료들이 충분히 섞이는 것을 방해하는 장벽을 만듭니다. 균일한 혼합물 대신, 최종 결정은 상단은 납이 풍부하고 하단은 주석이 풍부한 수직 구배(vertical gradient)를 갖게 됩니다. 연구진은 금속 원자들이 자신의 완벽한 위치를 찾기 위해 자리를 바꾸는 것보다 결정 격자가 더 빠르게 형성되고 단단해지기 때문에 이러한 불균일한 혼합이 발생한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 통찰은 왜 이전의 제조 시도들이 일관되지 않았는지를 설명해 줍니다. 즉, 자연적으로 균일한 혼합을 거부하는 시스템에 강제로 균일한 혼합을 요구하려 했기 때문입니다.

재료가 어떻게 행동하는지에 대한 이러한 이해를 바탕으로, 팀은 각 층에 대해 가열과 타이밍을 별도로 최적화했습니다. 그들은 단 한 방울의 액체 용매 없이, 이 건식 진공 기반 방식을 통해 두 층 모두를 성공적으로 형성한 완전한 탠덤 태양 전지를 제작했습니다. 결과물인 장치는 태양광을 19.2%의 효율로 전기로 변환했으며, 이는 이 특정 제조 기술에서 중요한 이정표입니다. 또한, 이 셀들은 매우 내구성이 뛰어난 것으로 증명되었습니다. 따뜻한 환경에서 1,200시간 동안 보관했을 때 초기 성능의 80%를 유지했습니다. 이 연구는 각 층의 특정한 물리적 행동에 맞춰 제조 공정을 조정함으로써, 차세대 유연하고 대규모인 태양광 발전을 위한 고품질의 용매 없는 태양 전지를 구축하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.

기술 요약: 증착된 전적(All-perovskite) 탠덤 태양전지의 이질적인 고체 상태 전환 경로

문제 제기
순차적 열 증착(sequential thermal evaporation, sTE)은 고품질 페로브스카이트 태양전지, 특히 광대역 밴드갭(WBG) 혼합 할라이드 흡수체와 협대역 밴드갭(NBG) Sn–Pb 흡수체를 결합한 전적(all-perovskite) 탠덤 태양전지를 제조하는 데 있어 용매가 필요 없는 산업 친화적인 경로를 제공한다. 그러나 sTE를 이러한 복잡한 혼합 할라이드 및 Sn–Pb 시스템으로 확장하는 것은 고체 상태 전환 메커니즘에 대한 불완전한 이해로 인해 어려움을 겪어 왔다. 용액 공정에서는 용매 증발과 안티솔벤트 퀀칭(antisolvent quenching)에 의해 결정화가 진행되는 것과 달리, sTE는 화학적으로 층을 이룬 전구체 스택 내에서의 열 구동 질량 수송 및 반응에 의존한다. 기존 연구들은 주로 중간 밴드갭의 Pb 단일 시스템에 집중하거나 사전 합금화된 Sn–Pb 소스에 의존해 왔으며, 분리하여 적층된 $\text{SnI}_2/\text{PbI}_2$ 및 $\text{PbBr}_2/\text{PbI}_2$ 전구체의 구체적인 전환 경로는 미해결 상태로 남아 있었다. 핵심적인 질문은 포름아미디늄(FA) 종이 무기층을 어떻게 침투하는지, 할라이드(Br/I) 및 양이온(Sn/Pb)의 재분배가 중간상 진화와 어떻게 결합되는지, 그리고 최종 흡수체 조성과 밴드갭이 언제 확립되는지에 관한 것이다.

연구 방법론
저자들은 열 어닐링 중 전구체 스택의 시간적 진화를 포착하기 위해 시계열적 ex situ 분석 전략을 채택하였다. 이는 다음 과정을 포함한다:

제조: 금속 할라이드 전구체( $\text{PbI}_2$ , $\text{PbBr}_2$ , $\text{SnI}_2$ )를 정공 수송층 위에 층별로 증착한 후, 고체 상태 전환을 유도하기 위해 FAI를 증착하고 열 어닐링을 수행하였다.
특성 분석: 다음과 같은 기법을 사용하여 어닐링의 각 단계에서 박막을 체계적으로 분석하였다:
- 단면 SEM 및 HAADF-STEM: 형태학적 변화, 결정립 성장 및 공극 형성을 관찰하였다.
- ToF-SIMS: 할라이드(Br, I) 및 유기 양이온(FA)의 깊이별 화학적 분포를 매핑하였다.
- XRD: 상 진화, 중간상 및 격자 매개변수 변화를 추적하였다.
- 광학 분광법 (EQE, UV-Vis): 광활성 흡수의 시작과 밴드갭 진화를 모니터링하였다.
소자 통합: 이러한 메커니즘적 통찰을 적용하여 밴드갭 조절이 가능한(1.26–1.96 eV) 단일 접합 소자와 모놀리식 전적 태양전지를 제작하였다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 WBG와 NBG 전구체 스택이 서로 다른 속도론적 병목 현상에 의해 지배되는 이질적인 고체 상태 전환 경로를 따른다는 것을 밝혀냈다.

광대역 밴드갭 (WBG) 스택 ( $\text{PbBr}_2/\text{PbI}_2/\text{FAI}$ ):
- 메커니즘: 어닐링 전 FAI를 포함한 종들이 무기 템플릿 내부로 침투한다. 가열 시 결정성 FAI가 붕괴되고 급격한 할라이드(Br/I) 재분배가 일어나며, 이를 통해 화학적으로 혼합된 요오드 풍부 저장소(iodide-rich reservoir)가 생성된다. 광활성 3D 페로브스카이트 상은 이 저장소로부터 수십 분에 걸쳐 천천히 결정화된다.
- 밴드갭 제어: 최종 밴드갭은 명목상의 $\text{PbBr}_2/\text{PbI}_2$ 비율이 아니라 $\text{PbBr}_2$ 층의 절대 두께에 의해 결정된다. 이진 스택에서 과잉 FAI 유래 요오드는 밴드갭을 낮출 수 있으나, 장시간 어닐링 중 발생하는 FAI 휘발에 의해 일부 상쇄된다.
- 속도론: 과정은 할라이드 상호 확산이 아니라, 혼합 저장소가 광활성 상으로 재구성되는 과정에 의해 제한된다.
협대역 밴드갭 (NBG) 스택 ( $\text{SnI}_2/\text{PbI}_2/\text{FAI}$ ):
- 메커니즘: 페로브스카이트 형성은 열 어닐링 전, FAI 증착 중에 시작된다. FA는 Pb가 풍려한 영역으로 침투하지만, $\text{SnI}_2/\text{PbI}_2$ 계면에서 조기에 형성된 Pb-rich 페로브스카이트 상에 의해 Sn-rich 영역으로의 완전한 침투가 제한된다.
- 속도론: 격자 재구성과 응집은 Sn/Pb 상호 확산보다 빠르게 일어난다. 이는 장시간 어닐링 후에도 Sn과 Pb가 완전히 균질화되지 않는 지속적인 수직적 조성 구배를 초래한다.
- 결과: 광활성 상은 빠르게 형성되지만, B-site 양이온의 균질화가 속도론적 병목 구간이 되어 국부적 밴드갭에 영향을 미치는 수직적 화학 구배를 발생시킨다.

결과
이러한 메커니즘적 통찰을 바탕으로 저자들은 다음을 달성하였다:

밴드갭 조절 가능성: 1.26–1.96 eV 범위의 밴드갭을 갖는 단일 접합 흡수체를 개발하였다.
단일 접합 성능:
- NBG (1.26 eV): 15.77%의 광전 변환 효율(PCE).
- WBG (1.78 eV): 16.95% PCE.
- 독립적으로 측정된 1.70 eV WBG 소자는 19.8% PCE에 도달하였다.
최초의 증착형 전적 태양전지: 두 하부 셀이 모두 sTE를 통해 형성된 모놀리식 탠덤 태양전지를 구현하여 19.2% PCE(VOC: 1.85 V, JSC: 13.12 mA $\text{cm}^{-2}$ , FF: 79.44%)를 달성하였다.
안정성: 캡슐화된 탠덤 소자는 ISOS-D-2 조건(65 °C)에서 1,200시간 동안 초기 효율의 평균 80%를 유지하였다.

의의
본 논문은 밴드갭 특이적 고체 상태 전환 제어를 증착형 페로브스카이트 탠덤 태양전지를 위한 근본적인 설계 원칙으로 확립하였다. WBG 전환은 저장소 재구성에 의해 제한되는 반면, NB G 전환은 형성 후 양이온 상호 확산에 의해 제한된다는 점을 규명함으로써, 저자들은 최적의 어닐링 프로토콜을 위한 로드맵을 제공하였다. 본 연구는 증착형 전적 태양전지를 용액 공정 기반 탠덤과 연결하며, 대면적 제조에 적합한 용매가 없는 경로를 제시한다. 저자들은 용액 공정 탠덤과의 효율 격차를 더욱 좁히기 위해서는 맞춤형 열 처리를 통해 WBG 스택의 광활성 상 형성을 가속화하고 NBG 흡수체의 Sn/Pb 상호 확산을 개선해야 한다고 언급하였다.

유사한 논문