Wydajność 33,25%, retencja MPPT 96% po 1000 godzin:

Krótka odpowiedź: Ogniwo tandemowe perowskitowo-krzemowe osiągnęło wydajność 33,25%, zachowując 96% maksymalnego punktu mocy po 1000 godzinach testów. To połączenie jest kluczowe: rekordy wydajności ogniw tandemowych nie są już ograniczeniem, ograniczeniem jest stabilność. Ogniwo nakłada górne złącze perowskitowe na dolne złącze krzemowe, dzięki czemu każde absorbuje tę część widma, którą najlepiej konwertuje, co pozwala przekroczyć wydajność znacznie powyżej około 27% pułapu pojedynczego złącza krzemowego. Wynik stabilności obejmował ekspozycję na wilgotne ciepło w temperaturze 85 °C, a pomiary wykorzystywały zakresy widmowe około 400 nm, 750 nm i 1150 nm. W produkcji modułów ogniwa tandemowe narzucają węższe okna laminowania niż sam krzem, ponieważ warstwa perowskitu jest bardziej wrażliwa na wilgoć i temperaturę niż znajdujący się pod nią krzem.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wprowadzenie produktu

Ogniwa tandemowe perowskit/krzem osiągnęły już 35% wydajności. Problemem jest stabilność. Urządzenia te są wciąż daleko od 25-letniego okresu eksploatacji wymaganego do komercjalizacji, a główna przyczyna leży na interfejsach. Gromadzi się tam ładunek, a to nagromadzenie wywołuje reakcje redox i migrację jonów.

Powszechnie stosowana warstwa transportująca elektrony ALD-SnOx napotyka kompromis dotyczący grubości z powodu wysokiej rezystywności. Zbyt gruba powoduje wzrost rezystancji szeregowej. Zbyt cienka nie jest w stanie zablokować uszkodzeń od napylania ani dyfuzji jonów. Aby to zbadać, tester kompozytowy MPPT do perowskitów wykorzystujący diodę LED klasy AAA symulator słoneczny jako źródło światła starzeniowego może kontrolować temperaturę ogniwa na kilka sposobów i zarządzać otaczającym środowiskiem, przeprowadzając długoterminowe testy stabilności.

W tej pracy zbudowano dwuczłonową warstwę SnOx/AZO w procesie w całości opartym na ALD. Ultracienka warstwa SnOx zachowuje wyrównanie pasm, podczas gdy przewodząca warstwa AZO zapewnia ścieżkę o niskiej rezystancji i działa jako gęsta bariera. Dzięki temu ekstrakcja ładunku i fizyczne blokowanie stają się dwoma oddzielnymi zadaniami. Jednozłączowe ogniwa perowskitowe o szerokiej przerwie energetycznej z tą strukturą osiągnęły 23,47% wydajności, a urządzenia tandemowe osiągnęły 33,25%. Po 1000 godzinach ciągłego oświetlenia zachowały jeszcze 96% początkowej wydajności, co potwierdza słuszność strategii interfejsowej.

Parametry techniczne

Specyfikacja testera MPPT dla kompozytu perowskitowego

Zalety techniczne

Wytwarzanie dwuwarstwowe ALD i wydajność elektryczna

Testy jednozłączowe wykazały, że SnOx osiąga najlepsze wyniki przy 150 cyklach. Zwiększanie grubości podnosiło rezystancję szeregową i obniżało współczynnik wypełnienia. Aby złagodzić ograniczenie rezystywności, autorzy dodali międzywarstwę AZO wytworzoną metodą ALD. Porównano dwa stosy: 250-cyklowy SnOx versus 100-cyklowy SnOx plus 400-cyklowy AZO.

Pomiary J-V wykazały, że kombinacja SnOx/AZO podniosła wydajność urządzenia. Analiza poziomów energetycznych wykazała, że minimum pasma przewodnictwa obniża się stopniowo od SnOx do AZO do IZO, tworząc korzystniejsze schodkowe wyrównanie pasm, które obniża barierę ekstrakcji na interfejsie. c-AFM wykazał, że SnOx/AZO i czyste AZO przewodzą znacznie lepiej niż czysty SnOx. KPFM wykazał bardziej jednorodny potencjał powierzchniowy i niższą gęstość defektów na warstwie perowskitu SnOx/AZO. Transientna spektroskopia absorpcyjna potwierdziła szybszą ekstrakcję nośników w przypadku SnOx/AZO.

Warstwa ALD hamuje degradację

Po 400 godzinach starzenia w temperaturze 85°C pod oświetleniem próbki SnOx wykazały silniejszą absorpcję jodku ołowiu w UV-vis, pików dyfrakcyjnych metalicznego Pb⁰ w XRD oraz pustek na interfejsie i ubytku masy w przekroju SEM. W próbkach SnOx/AZO te oznaki degradacji były znacznie słabsze. TOF-SIMS wykazał silną penetrację Ag do warstwy perowskitu i poważną dyfuzję I⁻ w urządzeniach SnOx, podczas gdy urządzenia SnOx/AZO nie wykazały oczywistej dyfuzji jonów.

Po 7 dniach przy 85% RH film pokryty SnOx rozwinął żółtą fazę δ, ale SnOx/AZO pozostał czarny. Pomiary PLQY wykazały niższą stratę na rekombinację niepromienistą i wyższe zachowanie PLQY po starzeniu dla SnOx/AZO. KPFM wykazał duży skok gęstości defektów powierzchniowych dla starzonej próbki SnOx, podczas gdy SnOx/AZO prawie się nie zmienił.

Zastosowanie produktu

Wydajność i stabilność ogniwa jednozłączowego

W urządzeniach jednozłączowych o strukturze ITO / NiOx / Me-4PACz / perowskit / C60 / warstwa ALD / Ag, rekordowy SnOx/AZO osiągnął 23,47% wydajności, 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 urządzenia SnOx. Stabilizowana moc wyjściowa wyniosła 23,12%. Energia Urbacha wyniosła 13,11 meV, poniżej 16,38 meV urządzenia SnOx.

Pod względem stabilności, po 1100 godzinach starzenia w ciemności w temperaturze 85°C SnOx/AZO utrzymał powyżej 90% swojej początkowej wydajności, podczas gdy SnOx spadł do 85% po 600 godzinach. W temperaturze 85°C z oświetleniem SnOx/AZO utrzymał powyżej 80% po 300 godzinach, podczas gdy SnOx spadł poniżej 60% po 200 godzinach. W testach MPPT SnOx/AZO utrzymał 96% po 2000 godzinach, podczas gdy SnOx spadł do 80% po 700 godzinach.

Wydajność i stabilność ogniwa tandemowego

Dwupoziomowa warstwa ALD została zintegrowana z urządzeniem tandemowym perowskit/TOPCon krzem. HAADF-STEM pokazał ciągłą, gęstą dwuwarstwę z SnOx o grubości około 10 nm i AZO o grubości około 60 nm, bez pinhole'i ani rozwarstwień. HR-TEM potwierdził, że SnOx jest amorficzny, a EDS wykazał równomierny rozkład Zn w AZO.

Rekordowe urządzenie tandemowe osiągnęło sprawność 33,25%, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, przy niemal zerowej histerezie. EQE wykazało fotoprądy górnego i dolnego ogniwa wynoszące 20,43 i 20,40 mA/cm², co stanowi dobre dopasowanie. Stabilizowana moc wyjściowa wyniosła 32,38%.

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

Podsumowanie mechanizmu

Przewaga dwuczłonowej warstwy SnOx/AZO sprowadza się do dwóch rzeczy. Przewodząca warstwa wierzchnia AZO przyspiesza ekstrakcję elektronów i ogranicza gromadzenie się ładunku na interfejsie, co tłumi degradację interfejsu wywołaną reakcjami. Jednocześnie gęsta warstwa dwuczłonowa 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 rozdzielenia”, dzięki czemu oba efekty wspólnie wzmacniają trwałość urządzenia.

W tym badaniu wykorzystano w pełni ALD dwuczłonową warstwę SnOx/AZO do tłumienia degradacji wywołanej reakcjami interfejsowymi w ogniwach tandemowych perowskit/krzem. Warstwa dwuczłonowa łączy dobre dopasowanie pasm SnOx z wysoką przewodnością i gęstą funkcją barierową AZO, ograniczając gromadzenie się ładunku oraz powstrzymując dyfuzję jonów i wnikanie wilgoci. Ogniwa jednozłączowe osiągnęły sprawność 23,47%, ogniwa tandemowe 33,25%, a oba typy utrzymały powyżej 96% początkowej sprawności po 1000 godzinach MPPT. Pokazuje to, jak kluczowa jest inżynieria interfejsu dla budowy wysokowydajnych, stabilnych ogniw fotowoltaicznych tandemowych perowskit/krzem, i wskazuje realną drogę do ogniw, które są jednocześnie wydajne i trwałe.

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

Odniesienie: Tłumienie reakcji międzypowierzchniowych w tandemowych ogniwach słonecznych perowskit/krzem za pomocą dwuwarstwy SnOx/AZO w całości wytworzonej metodą ALD

Opinia Ooitech

To, co się tu wyróżnia, to idea „funkcjonalnego rozdzielenia” – pozwolenie, by jedna cienka warstwa odpowiadała za wyrównanie pasm, a druga za blokowanie, zamiast zmuszać pojedynczą warstwę SnOx do pełnienia obu tych funkcji i tracić na jednej z nich. Po stronie produkcyjnej jednorodność stosu ALD na pełnowymiarowym module to dokładnie ten obszar, w którym kontrola linii i metrologia mają kluczowe znaczenie, i to właśnie tego rodzaju szczegóły procesowe są dla nas najważniejsze przy budowie linii modułowych. Jeśli chcesz zobaczyć więcej o tym, jak produkcja modułów perowskitowych i tandemowych faktycznie wygląda na hali fabrycznej, kanał Ooitech na YouTube (www.youtube.com/ooitech) wart jest obserwowania.