Optimization of P2 laser patterning for large-area perovskite solar modules

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Perovskite solar cells (PSCs) have achieved remarkably high photo conversion efficiencies (PCE) within a short period of development, establishing them as strong candidates for next-generation photovoltaic technologies. However, when scaled to large-area perovskite solar modules (PSMs), significant efficiency loss is often observed. Perovskite solar modules are limited by performance losses induced during laser patterning, particularly in the P2 step, where residual ETL, TCO damage, and thermal decomposition of the perovskite at the patterning boundary increase electrical losses and reduce operational stability. In addition, conventional module layouts suffer from geometric fill-factor (GFF) reduction and resistance imbalance as the sub-cell count increases, further constraining the attainable module performance.
In this study, the P2 pulse energy was precisely controlled to identify an operating window that ensures complete ETL removal while minimizing TCO damage, and the impact of this pulse-energy variation on perovskite stability was simultaneously investigated, revealing that excessive energy accelerates peripheral thermal decomposition. To further suppress laser-induced degradation of the TCO, a thin PCBM protection layer was introduced between TCO and
ETL, which mitigated damage and improved the electrical properties of the module. In addition, the correlation between perovskite absorption at 532 nm and laser–material interaction was examined, showing that higher absorption enhances laser responsiveness and enables effective patterning at lower pulse energy, thereby reducing heat-induced degradation near the P2 region.
Finally, based on the optimized P2 processing conditions, the module architecture was refined by optimizing the sub-cell configuration and implementing a high–GFF patterning design, which alleviated the trade-off between series and shunt resistances and improved current collection and stability.
By integrating optimized P2 processing, protection-layer engineering, and high-GFF structural design, a PCE of 23.26% was achieved for a 24.5 cm² PSM, along with stable photostability over 100 hours.

국문 초록 (Abstract)

페로브스카이트 태양전지(PSCs)는 짧은 기간 동안 급격한 효율 향상을 이루며 차세대 태양전지로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 이를 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈(PSMs)로 확장하는 과정에서는 성능 저하가 여전히 크게 발생한다. 특히 모듈 제작에 필수적인 레이저 패터닝 공정 중 P2 단계에서는 잔류 전자수송층 (ETL), 투명전도성산화물 (TCO) 손상, 패터닝 경계에서의 페로브스카이트 열분해가 발생하여 전기적 손실을 증가시키고 장기 안정성을 저하시킨다. 또한 직렬 연결 구조를 갖는 기존 모듈 레이아웃은 서브셀 개수 변화에 따라 시리즈 저항과 션트 저항 사이의 트레이드오프가 나타나며, 패터닝 영역으로 인한 기하학적 충진율(GFF) 감소로 인해 모듈 성능이 추가로 제한된다.
본 연구에서는 P2 펄스 에너지를 정밀하게 제어하여 ETL을 완전히 제거하면서TCO 손상을 최소화할 수 있는 동작 윈도우를 규명하고, 동시에 펄스 에너지 변화가 페로브스카이트의 열적 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통해 과도한 펄스 에너지가 P2 패터닝 주변부에서 페로브스카이트 열분해를 가속한다는 사실을 확인하였다. 나아가 TCO에 대한 레이저 유도 손상을 추가로 억제하기 위해 TCO와 ETL 사이에 얇은 PCBM 보호층을 도입하였으며, 이를 통해 TCO 손상을 완화하고 모듈의 전기적 특성을 향상시켰다. 또한 페로브스카이트의 532nm 파장에서의 흡광도와 532nm 레이저–재료 상호작용의 상관관계를 조사한 결과, 흡광도가 높을수록 레이저 반응성이 증가하여 더 낮은 펄스 에너지에서도 효과적인 패터닝이 가능하고, 그에 따라 P2 영역 인근에서의 열 유도 열화가 감소함을 확인하였다.
마지막으로, 최적화된 P2 공정을 바탕으로 서브셀 구성을 최적화하고 높은 GFF를 확보할 수 있는 패터닝 구조를 도입함으로써 모듈 아키텍처를 개선하였다. 그 결과, 면적 24.5cm²의 페로브스카이트 태양전지 모듈에서 전력 변환 효율(PCE) 23.26%를 달성하였으며, 100시간에 걸친 광조사 동안 우수한 광안정성을 확보하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1. Research background 1
• 2. Research purpose 7
• Chapter 2. Theoretical background 10
• 1. Perovskite solar cell (PSC) 10
• A. Perovskite structure 10
• B. Principle of PSC 12
• C. Evaluation of solar cell properties 14
• 2. Perovskite solar module (PSM) 17
• A. Solar module 17
• B. PSM structure 19
• 3. Laser system 23
• Chapter 3. Experimental section 26
• 1. Material 26
• 2. Preparation of solution 27
• 3. Device fabrication 28
• 4. Device characterization 30
• Chapter 4. Results and discussion 31
• 1. P2 process engineering 31
• A. Opimization of the P2 laser pulse energy 31
• B. Application of a TCO protection lay for P2 laser processing 39
• C. Laser interaction under different perovskite conditions 45
• 2. PSM structure design 49
• A. Optimization of the sub-cell count in module design 49
• B. New pattering structure for high GFF 53
• Conclusion 58
• Reference 59
• 국문초록 (Abstract written by Korean) 63