Wprowadzenie produktu

Ogniwa tandemowe perowskit/krzem osiągnęły już 35% wydajności. Problemem jest stabilność. Urządzenia te są wciąż dalekie od 25-letniego okresu eksploatacji wymaganego do komercjalizacji, a przyczyną są interfejsy. Gromadzi się tam ładunek, a to nagromadzenie wywołuje reakcje redoks i migrację jonów.

Powszechnie stosowana warstwa transportująca elektrony ALD-SnOx napotyka na kompromis grubości ze względu na wysoką rezystywność. Zbyt gruba zwiększa rezystancję szeregową. Zbyt cienka nie może blokować uszkodzeń spowodowanych napylaniem ani dyfuzji jonów. Aby to zbadać, tester MPPT kompozytu perowskitowego wykorzystujący symulator słoneczny LED klasy AAA jako źródło światła do starzenia może kontrolować temperaturę ogniwa na kilka sposobów i zarządzać otoczeniem, przeprowadzając długoterminowe testy stabilności.

Ta praca buduje dwójwarstwę SnOx/AZO poprzez proces w pełni ALD. Ultracienki SnOx utrzymuje wyrównanie pasm, podczas gdy przewodząca warstwa AZO zapewnia ścieżkę o niskiej rezystancji i działa jako gęsta bariera. Rozdziela to ekstrakcję ładunku i fizyczne blokowanie na dwa oddzielne zadania. Pojedyncze ogniwa perowskitowe z szeroką przerwą wzbronioną z tą strukturą osiągnęły 23,47% wydajności, a urządzenia tandemowe 33,25%. Po 1000 godzinach ciągłego oświetlenia nadal utrzymywały 96% początkowej wydajności, co potwierdza strategię interfejsową.

Parametry Techniczne

Specyfikacje testera MPPT kompozytu perowskitowego

Zalety techniczne

Wytwarzanie dwuwarstw ALD i właściwości elektryczne

Testy pojedynczych ogniw wykazały, że SnOx działa najlepiej przy 150 cyklach. Zwiększenie grubości podniosło rezystancję szeregową i obniżyło współczynnik wypełnienia. Aby zmniejszyć ograniczenie rezystywności, autorzy dodali międzywarstwę AZO osadzaną metodą ALD. Porównano dwa stosy: 250-cyklowy SnOx vs 100-cyklowy SnOx plus 400-cyklowy AZO.

Pomiary J-V wykazały, że kombinacja SnOx/AZO poprawiła wydajność urządzenia. Analiza poziomów energii wykazała, że minimum pasma przewodnictwa schodzi stopniowo od SnOx przez AZO do IZO, tworząc korzystniejsze schodkowe dopasowanie pasm, które obniża barierę ekstrakcji na interfejsie. c-AFM wykazało, że SnOx/AZO i czysty AZO przewodzą znacznie lepiej niż czysty SnOx. KPFM wykazało bardziej jednolity potencjał powierzchniowy i niższą gęstość defektów na warstwie perowskitu SnOx/AZO. Spektroskopia absorpcji przejściowej potwierdziła szybszą ekstrakcję nośników z SnOx/AZO.

Warstwa ALD hamuje degradację

Po 400 godzinach starzenia w temperaturze 85°C przy oświetleniu, próbki SnOx wykazały silniejszą absorpcję jodku ołowiu w UV-vis, piki dyfrakcyjne metalicznego Pb⁰ w XRD oraz puste przestrzenie na interfejsie i straty objętościowe w SEM przekroju poprzecznego. W próbkach SnOx/AZO te oznaki degradacji były znacznie słabsze. TOF-SIMS wykazało silną penetrację Ag do warstwy perowskitu i intensywną dyfuzję I⁻ w urządzeniach SnOx, podczas gdy urządzenia SnOx/AZO nie wykazały wyraźnej dyfuzji jonów.

Po 7 dniach przy 85% RH, folia pokryta SnOx rozwinęła żółtą fazę δ, ale SnOx/AZO pozostał czarny. Pomiary PLQY wykazały niższe straty rekombinacji niepromienistej i wyższą retencję PLQY po starzeniu dla SnOx/AZO. KPFM wykazało duży wzrost gęstości defektów powierzchniowych dla starzonej próbki SnOx, podczas gdy SnOx/AZO prawie się nie zmienił.

Zastosowanie produktu

Wydajność i stabilność ogniw pojedynczych

W urządzeniach pojedynczych o strukturze ITO / NiOx / Me-4PACz / perowskit / C60 / warstwa ALD / Ag, rekordowy SnOx/AZO osiągnął 23,47% sprawności, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², z wyraźnie zmniejszoną histerezą. Gęstość prądu zintegrowana z EQE wyniosła 21,62 mA/cm², powyżej 20,92 mA/cm² dla urządzenia SnOx. Stabilizowana moc wyjściowa wyniosła 23,12%. Energia Urbacha wyniosła 13,11 meV, poniżej 16,38 meV dla urządzenia SnOx.

Pod względem stabilności, po 1100 godzinach starzenia w ciemności w temperaturze 85°C, SnOx/AZO utrzymało ponad 90% początkowej wydajności, podczas gdy SnOx spadł do 85% po 600 godzinach. Przy oświetleniu w temperaturze 85°C, SnOx/AZO utrzymało ponad 80% po 300 godzinach, podczas gdy SnOx spadł poniżej 60% po 200 godzinach. W teście MPPT, SnOx/AZO utrzymało 96% po 2000 godzinach, podczas gdy SnOx spadł do 80% po 700 godzinach.

Wydajność i stabilność ogniwa tandemowego

Dwustronna warstwa ALD została zintegrowana z tandemowym urządzeniem perowskit/TOPCon krzem. HAADF-STEM wykazał ciągłą, gęstą dwuwarstwę z SnOx około 10 nm i AZO około 60 nm, bez dziur ani delaminacji. HR-TEM potwierdził, że SnOx jest amorficzny, a EDS wykazało równomierny rozkład Zn w AZO.

Najlepsze urządzenie tandemowe osiągnęło wydajność 33,25%, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, z prawie zerową histerezą. EQE wykazało fotoprądy górnego i dolnego ogniwa odpowiednio 20,43 i 20,40 mA/cm², co stanowi dobrą zgodność. Stabilizowana moc wyjściowa wyniosła 32,38%.

Po 1000 godzinach starzenia termicznego w temperaturze 85°C, SnOx/AZO utrzymało ponad 90% wydajności, podczas gdy SnOx spadł poniżej 90% w ciągu 400 godzin. W teście wilgotnego ciepła (podwójne 85), SnOx/AZO utrzymało ponad 92% po 400 godzinach, podczas gdy SnOx spadł poniżej 80% w ciągu 200 godzin. Po 1000 godzinach ciągłego oświetlenia, SnOx/AZO utrzymało ponad 96%, podczas gdy SnOx spadł poniżej 80% w ciągu 300 godzin.

Podsumowanie mechanizmu

Zaleta dwuwarstwy SnOx/AZO sprowadza się do dwóch rzeczy. Przewodząca warstwa AZO przyspiesza ekstrakcję elektronów i ogranicza gromadzenie ładunku na interfejsie, co hamuje degradację interfejsu napędzaną reakcjami. Jednocześnie gęsta dwuwarstwa działa jako skuteczna bariera dla jonów i wilgoci, powstrzymując korozję srebra wywołaną jodkami oraz migrację Ag⁺ do perowskitu. Szybsza ekstrakcja elektronów w połączeniu z fizycznym blokowaniem jonów daje mechanizm „funkcjonalnego rozprzężenia”, dzięki czemu oba efekty wzmacniają trwałość urządzenia.

To badanie wykorzystuje w pełni ALD dwuwarstwę SnOx/AZO do tłumienia degradacji napędzanej reakcjami interfejsu w tandemowych ogniwach perowskit/krzem. Dwuwarstwa łączy dobre dopasowanie pasm SnOx z wysoką przewodnością i gęstą funkcją barierową AZO, ograniczając gromadzenie ładunku i powstrzymując dyfuzję jonów oraz wnikanie wilgoci. Pojedyncze ogniwa osiągnęły wydajność 23,47%, ogniwa tandemowe 33,25%, a oba utrzymały ponad 96% początkowej wydajności po 1000 godzinach MPPT. Pokazuje to, jak kluczowa jest inżynieria interfejsu dla budowy wysokowydajnych i stabilnych tandemowych ogniw perowskit/krzem, i wskazuje realną ścieżkę w kierunku ogniw, które są zarówno wydajne, jak i trwałe.

Tester MPPT z kompozytu perowskitowego, zbudowany w oparciu o symulator słoneczny LED A+AA+ jako źródło światła do starzenia, zapewnia silne wsparcie w badaniach nad perowskitowymi ogniwami słonecznymi. Ponieważ ogniwa perowskitowe są bardzo wrażliwe na światło i temperaturę, ich punkt mocy maksymalnej stale się przesuwa. Kontroler MPPT śledzi i blokuje ten punkt w czasie rzeczywistym, dzięki czemu system zawsze pracuje z optymalną mocą. Maksymalizuje to uzysk energii oraz poprawia stabilność i ekonomikę całego systemu fotowoltaicznego.

Referencja: Tłumienie reakcji międzyfazowych w tandemowych ogniwach słonecznych perowskit/krzem za pomocą dwuwarstwy SnOx/AZO w pełni ALD

Opinia Ooitech

To, co się tutaj wyróżnia, to koncepcja „funkcjonalnego rozdzielenia”, pozwalająca jednej cienkiej warstwie zajmować się dopasowaniem pasm, a drugiej blokowaniem, zamiast zmuszać pojedynczą warstwę SnOx do wykonywania obu zadań i tracić na jednym z nich. Na stronie produkcyjnej jednorodność stosu ALD na całym module pełnowymiarowym jest dokładnie tym, co ma znaczenie dla kontroli linii i metrologii, i jest to rodzaj szczegółu procesu, nad którym się pochylamy przy budowie linii modułów. Jeśli chcesz zobaczyć więcej o tym, jak produkcja modułów perowskitowych i tandemowych faktycznie wygląda na hali produkcyjnej, kanał Ooitech na YouTube (www.youtube.com/ooitech) jest wart śledzenia.