RF 마그네트론 스퍼터링 SnO2의 적당한 온도 증착

Jan 29, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9100(2023) 이 기사 인용

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페로브스카이트 태양전지(PSC)는 잠재적인 상용화 요구 사항을 충족하기 위해 안정성과 확장성이라는 두 가지 주요 과제에 여전히 직면해 있습니다. 따라서 안정적인 PSC를 달성하기 위해 균일하고 효율적이며 고품질의 비용 효율적인 전자 수송층(ETL) 박막을 개발하는 것은 이러한 주요 문제를 해결하는 핵심 요소 중 하나입니다. 마그네트론 스퍼터링 증착은 고품질의 박막 증착과 산업 규모에서 넓은 면적에 균일하게 필름을 증착할 수 있는 능력 때문에 널리 사용되어 왔습니다. 이 연구에서는 중간 온도 무선 주파수(RF) 스퍼터링된 SnO2의 구성, 구조, 화학적 상태 및 전자 특성에 대해 보고합니다. Ar과 O2는 각각 플라즈마 스퍼터링 가스와 반응 가스로 사용됩니다. 우리는 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링을 통해 높은 수송 특성을 지닌 고품질의 안정적인 SnO2 박막을 성장시킬 수 있는 가능성을 보여줍니다. 우리의 연구 결과는 스퍼터링된 SnO2 ETL을 기반으로 한 PSC 장치가 최대 17.10%의 전력 변환 효율과 200시간 이상의 평균 작동 수명에 도달했음을 보여줍니다. 향상된 특성을 지닌 균일하게 스퍼터링된 SnO2 박막은 대형 광전지 모듈 및 고급 광전자 장치에 유망합니다.

The performance and cost-effectiveness fabrication of the perovskite solar cells (PSCs) are the two main assets which are increasingly attracting academic and industrial attention. Certified Power Conversion Efficiency (PCE) for the best solar cell efficiency has shown a 25.7% for PSCs as achieved by UNIST1. Focus is put nowadays on the PSCs commercialization2, and this aim is still facing two main challenges, namely a descent device operational-stability and the fabrication scalability. The stability of the PSCs has been the cornerstone of extensive research and development over the last years. Nevertheless, this research effort has been found to be one of the most complex physico-chemical issues that involves multiple factors and various physical phenomena. These issues are also a subject of the device configuration and materials’ characteristics. In fact, the device stability can directly be affected by the electrode material and its characteristics (work function, dimensions, etc.)3, electron transport layer (ETL) and hole transport layer (HTL) properties4,5, the nature of the interface between the absorber-perovskite layer and the charge transport materials6, and indeed, the stability of the perovskite material itself7. In 2016, Ahn et al.8 proposed that the ETL based on TiO2 is among the most responsible factors for the light-induced degradation in PSCs. This suggestion was also supported by the research outcome of Qiu et al.9. On the other hand, SnO2 as ETL has demonstrated its capability to replace the conventional TiO2 due to the fact that a PCE of more than 21% has been already achieved using SnO2 ETL10. SnO2 shows several benefits over TiO2, including a higher electron mobility and an excellent energy level matching11. More importantly, SnO2 as ETL is highly efficient against the perovskite solar cells degradation, which is induced by TiO2 ETL, thereby considerably improving the device operational lifetime under continuous light illumination at the maximum power point. In this context, Christians et al. 1000 hour operational stability. Nat. Energy 3(1), 68–74 (2018)." href="/articles/s41598-023-35651-1#ref-CR12" id="ref-link-section-d168536439e497"> 12는 최근 TiO2에 비해 SnO2를 ETL로 사용하는 캡슐화되지 않은 페로브스카이트 태양전지의 수명이 훨씬 더 긴 것을 입증했습니다. 반면, 두 번째 큰 과제는 작은 면적의 PSC와 유사한 성능을 유지하면서 모듈 규모(예: 페로브스카이트 태양광 모듈(PSM))에 도달하기 위한 PSC 제조의 확장성을 다룹니다2. PSC 제조를 위한 대규모 박막 성장 공정이 도입됨에 따라 PSM과 관련된 보고 수가 급격히 증가했습니다13. 예를 들어, Green et al. 16.29cm214의 조리개 면적(AA)에서 16%의 PCE를 보고했으며 Chen et al. 36.1cm215의 더 큰 AA로 12.1%의 인증된 PCE를 달성했습니다. 다른 주요 매개변수는 ETL2의 비용 효율성 및 대규모 증착 프로세스와 관련이 있습니다. 현재 대부분의 PSM은 높은 처리 온도를 요구하는 ETL로 TiO2를 기반으로 합니다. TiO2는 상대적으로 높은 저항과 하위 셀 사이의 상호 연결 경로에서 TiO2 코팅을 제거하는 데 종종 사용되는 값비싼 레이저 패터닝 방법으로 인해 많은 불안정성 문제의 원인이기도 합니다. 이는 직렬 저항 값의 상승을 방지하여 전체 PSM 성능을 저하시키는 데 필요합니다18.