Wprowadzenie produktu

Monolityczne tandemowe ogniwa perowskitowo-krzemowe są jedną z najjaśniejszych dróg poza limit wydajności ogniw jednozłączowych. Górne i dolne ogniwo są połączone szeregowo poprzez rekombinacyjną warstwę łączącą, a jakość tego interfejsu decyduje o tym, czy nośniki mogą być płynnie transportowane i rekombinowane. Problem leży na mikropiramidalnej teksturowanej powierzchni dolnego ogniwa krzemowego heterozłączowego (SHJ). Piramidy mają około 600 nm wysokości, a na tym terenie warstwa rekombinacyjna cierpi na optyczne straty pasożytnicze, podczas gdy samoorganizująca się monowarstwa (SAM) nigdy nie rozkłada się równomiernie. Z czasem obniża to wydajność urządzenia.

W tej pracy zmierzono warstwy łączące z tlenku indu i cyny (ITO) o grubości od 2 do 30 nm i stwierdzono, że ultracienka warstwa 8 nm działa najlepiej na dwóch frontach jednocześnie: zmniejszając straty optyczne i poprawiając jednorodność potencjału powierzchniowego. Po nałożeniu modyfikacji NiOx i funkcjonalizacji Poly-SAM, gęstość prądu zwarciowego wzrosła o 0,85 mA cm⁻² do 20,82 mA cm⁻², wydajność konwersji energii osiągnęła 31,80%, a po 500 godzinach śledzenia maksymalnego punktu mocy urządzenie nadal utrzymywało 96% swojej początkowej wydajności.

Metoda eksperymentalna

Dolne ogniwo SHJ wykorzystywało krzemowe płytki typu n, o grubości 110 ± 10 µm, teksturowane obustronnie KOH w piramidy o wysokości około 600 nm. Po czyszczeniu RCA, PECVD osadziło kolejno warstwy pasywacyjne i domieszkowane: strona przednia otrzymała 8 nm wewnętrznego a-Si:H(i) plus 15 nm n-typu nc-SiOx:H(n), strona tylna otrzymała 8 nm p-typu a-Si:H(p), następnie napylono 110 nm ITO i odparowano 700 nm Ag na tylnej stronie. Na przedniej stronie osadzono oddzielnie sześć grubości warstwy łączącej ITO: 2, 5, 8, 10, 20 i 30 nm, wygrzano w 180°C i wykonano skrypcję laserową.

Górna ogniwo perowskitowe podążało tą ścieżką. Dolne ogniwo najpierw wygrzano i poddano obróbce UV-ozonem, następnie osadzono NiOx metodą magnetronowego rozpylania, po czym wykonano kolejne wygrzewanie i obróbkę UV-ozonem. W atmosferze azotu w rękawicy, Poly-SAM naniesiono metodą spin-coating (0,5 mg mL⁻¹, rozpuszczalnik metanol i chlorobenzen w stosunku 1:1) i wygrzano w 100°C. Perowskit to Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ z pasmem wzbronionym 1,68 eV, naniesiony metodą spin-coating w dwóch etapach, z kropleniem chlorobenzenu jako antyrozpuszczalnika podczas etapu wysokiej prędkości i wygrzewaniem w 100°C przez 20 minut. Powierzchnię zmodyfikowano PDADI, następnie termicznie odparowano C₆₀, wyhodowano SnO₂ metodą ALD, napylono 45 nm IZO, odparowano elektrody Ag, a na koniec nałożono antyrefleksyjną warstwę MgF₂.

Zalety techniczne

Właściwości optoelektroniczne warstwy łączącej ITO

(a) Rsh, Ne i µ w funkcji grubości (n = 10); (b) absorpcja i odbicie optyczne warstwy ITO; (c) praca wyjścia w funkcji grubości; (d) przesunięcie pracy wyjścia (ΔWF) przed i po obróbce NiOx przy różnych grubościach; (e) schemat rozmieszczenia SAM na NiOx-modyfikowanym ITO; (f) mapy potencjału powierzchniowego KPFM dla ITO łączącego o grubości 2–30 nm; (g) mapy potencjału powierzchniowego KPFM dla ITO łączącego o grubości 8 nm przed i po funkcjonalizacji NiOx i Poly-SAM.

Pomiary efektu Halla wykazały spadek oporności warstwy wraz ze wzrostem grubości, czego można było oczekiwać. Koncentracja nośników utrzymywała się na dość stałym poziomie między 8 a 30 nm, około 2,8 do 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, ale poniżej 8 nm zaczyna spadać. Ruchliwość spadła tylko nieznacznie w wąskim zakresie 2 do 8 nm, co świadczy o tym, że integralność warstwy pozostała nienaruszona. Grubość 8 nm znajduje się w optymalnym punkcie, gdzie oporność warstwy jest wystarczająco niska, a parametry elektryczne nie uległy pogorszeniu.

(a) Dopasowane piki wysokorozdzielczego widma XPS O 1s warstwy ITO na teksturowanej powierzchni dolnego ogniwa c-Si. (b) Wysokorozdzielcze widma XPS warstwy ITO o grubości 8 nm na teksturowanym dolnym ogniwie c-Si przed i po modyfikacji NiOx. (c) Obraz SEM przekroju poprzecznego warstwy ITO o grubości 8 nm na teksturowanym dolnym ogniwie c-Si. (d) Odpowiednie mapy EDS wybranego obszaru próbki ITO o grubości 8 nm, z legendą kolorów dla pierwiastków w prawym górnym rogu.

Optycznie, zmniejszenie grubości ITO obniżyło zarówno odbicie, jak i absorpcję powyżej 450 nm, dzięki destrukcyjnej interferencji oraz słabszej absorpcji swobodnych nośników.

• UPS wykazało, że funkcja pracy rosła wraz ze zmniejszaniem grubości, a po modyfikacji NiOx i wyżarzaniu szczyt funkcji pracy przesunął się do 8 nm.

• Skanowanie obszarowe KPFM ujawniło, że ITO poniżej 10 nm tłumiło wszystkie lokalne punkty bocznikowania, przy czym 8 nm dawało najlepszą jednorodność.

• XPS ujawnił interesujący szczegół: powierzchnia ITO o grubości 8 nm miała wyższą gęstość grup hydroksylowych niż ta o grubości 20 nm, a te grupy hydroksylowe tworzyły wiązania mostkowe In─O─Ni z NiOx, umożliwiając bardziej równomierne rozprowadzenie i mocniejsze przyleganie NiOx. Po modyfikacji sygnał In całkowicie zniknął, co świadczy o doskonałej jakości warstwy pokrywającej i stanowi dobry fundament dla późniejszego samoorganizującego się SAM.

• SEM i EDS również potwierdziły, że ITO o grubości 8 nm zapewniało konforemne pokrycie tekstury.

Wydajność fotowoltaiczna ogniwa tandemowego

(a) Zmiana Jsc w ogniwach tandemowych perowskit/krzem; (b) zmiana Voc; (c) zmiana FF; (d) zmiana PCE; (e) obraz SEM przekroju poprzecznego ogniwa tandemowego na ITO; (f) wzór XRD warstwy perowskitu na ITO; (g) stacjonarne widmo PL warstwy perowskitu na ITO; (h) znormalizowane stacjonarne krzywe PL; (i) przejściowe widma zaniku TRPL warstwy perowskitu na ITO; (j) obraz fotoluminescencyjny ogniwa tandemowego, obszar aktywny 0.928 cm².

Wszystkie sześć grubości połączenia ITO zostało przetestowanych metodą J-V.

• Poniżej 5 nm, Voc i FF gwałtownie spadły. Voc nie można było podnieść powyżej 1,7 V, a PCE wyniosło zaledwie 21,68%, głównie dlatego, że warstwa była już nieciągła na teksturze piramid.

• 8 nm było najlepszym rozwiązaniem. Przekrój SEM wykazał większe i gęstsze ziarna perowskitu na ultracienkim ITO (poniżej 10 nm), a XRD potwierdziło lepszą jakość krystaliczną, choć próbka 5 nm wykazała pik PbI₂, co jest oznaką rozpoczętej degradacji. Stacjonarne natężenie PL rosło od 30 nm w dół do 8 nm, a następnie ponownie spadło, więc 8 nm znajdowało się dokładnie na szczycie, odpowiadając najniższej gęstości defektów.

• Znormalizowane charakterystyczne pasmo PL nie przesunęło się, co oznacza, że charakter rekombinacji niepromienistej na granicy faz pozostał taki sam. Czasy życia nośników TRPL były również najdłuższe przy 8 nm. Wyniki te wynikają z silniejszego dipola netto i bardziej jednorodnej funkcji pracy, jaką zapewnia Poly-SAM, podnosząc jednocześnie Voc i FF. Obrazowanie PL ujawniło również submikronową niejednorodność wewnątrz podogniwa perowskitowego, ale ultracienka warstwa ITO o wysokiej rezystancji ma wysoką rezystywność boczną, więc zasięg lokalnego bocznikowania został skutecznie ograniczony i nigdy nie obniżył wydajności całego urządzenia.

Poprawa gęstości prądu

(a) Krzywe EQE podogniw perowskitowych i krzemowych przy 8 nm warstwie łączącej ITO; (b) Krzywe EQE początkowej i zoptymalizowanej ogniwa tandemowego.

Przednia warstwa IZO została oceniona za pomocą współczynnika jakości Aw × Rsheet⁻¹, a 45 nm okazało się najlepsze. Zmniejszenie grubości łączącego ITO z 20 nm do 10 nm, a następnie do 8 nm zwiększyło średnią Jsc z 19,78 do 19,96, a następnie do 20,55 mA cm⁻². Zintegrowane z EQE gęstości prądu podogniw perowskitowych i krzemowych wyniosły odpowiednio 20,64 i 20,51 mA cm⁻², co jest zgodne z danymi J-V. W porównaniu do 20 nm ITO, 8 nm zapewniło podogniwu perowskitowemu dodatkowe 0,06 mA cm⁻², a podogniwu krzemowemu dodatkowe 0,47, przy czym największy zysk odnotowano w zakresie bliskiej podczerwieni z krzemowego ogniwa dolnego.

Zastosowanie produktu

Wydajność i stabilność urządzenia

(a) Schemat struktury i fotografia perowskitowo-krzemowego ogniwa tandemowego; (b) obraz SEM przekroju poprzecznego ogniwa tandemowego; (c) krzywe J-V pojedynczych podogniw perowskitowych i krzemowych; (d) reprezentatywna krzywa J-V wysokowydajnego ogniwa; (e) zmiana Rs w perowskitowo-krzemowych ogniwach tandemowych zbudowanych na warstwach łączących ITO o grubości od 30 nm do 2 nm; (f) wyniki testu MPPT enkapsulowanego ogniwa tandemowego przy oświetleniu 1-słońce.

Po dobraniu grubości łączącej warstwy ITO średnia sprawność ogniw tandemowych wzrosła z 28,64% do 30,67%. ITO o grubości 2 nm charakteryzowało się rezystancją szeregową Rs aż 41,26 Ω, co praktycznie zerwało połączenie szeregowe. Rs dla 8 nm było znacznie niższe, impedancja wewnętrzna spadła, a strata napięcia w pobliżu punktu mocy maksymalnej zmniejszyła się. Jeśli chodzi o stabilność, ogniwo tandemowe z 8 nm ITO utrzymało 96% początkowej sprawności po 500 godzinach MPPT, podczas gdy ogniwo z 20 nm utrzymało tylko 90%, co plasuje je wśród najbardziej stabilnych w rodzinie łączników TCO/SAM. Dlaczego tak stabilne? Pokrycie polimerem SAM jest wysokie, a krystalizacja perowskitu ulega poprawie wraz z nim.

Regiony pokryte SAM mają niską energię powierzchniową, a grupy kwasu fosfonowego koordynują z Pb²⁺ i FA⁺, kierując perowskitem do powolnego i uporządkowanego wzrostu, dzięki czemu ziarna są duże. Na gołych obszarach ITO nie ma takiego efektu matrycy, nukleacja przebiega szybko i nieuporządkowanie, a ziarna są małe z wieloma granicami ziaren. Co więcej, Poly-SAM pasywuje nienasycone wiązania i wakancje halogenkowe na interfejsie, migracja halogenków jest tłumiona, a degradacja spowalnia. Jednolity potencjał powierzchniowy, który zapewnia samo ultracienkie ITO, również pomaga, a połączenie kilku czynników wydłuża żywotność urządzenia.

Testowanie stabilności MPPT opiera się tutaj na symulatorze słonecznym LED klasy 3A+ jako źródle światła do starzenia, które może kontrolować temperaturę ogniwa i otaczającą atmosferę na kilka sposobów, aby przeprowadzić długoterminowe testy stabilności.

Podsumowanie i perspektywy

8 nm to optymalna grubość połączenia ITO dla tandemowych ogniw perowskitowo-krzemowych. Ta grubość zarówno poprawia jakość krystaliczną perowskitu, jak i ogranicza absorpcję pasożytniczą. Po modyfikacji NiOx i funkcjonalizacji Poly-SAM potencjał powierzchniowy staje się bardziej jednolity, a przesunięcie pracy wyjścia bardziej wyraźne. Powierzchnia ITO o grubości 8 nm zawiera więcej grup hydroksylowych, NiOx rozprowadza się równomiernie, SAM jest gęsto upakowany, a zgodność pokrycia tekstury potwierdzono za pomocą SEM i EDS. W porównaniu z konwencjonalnym ITO o grubości 20 nm, zoptymalizowane urządzenie osiągnęło rekordową wydajność 31,80%, z Jsc wyższym o 0,85 mA cm⁻² i 96% początkowej wydajności po 500 godzinach MPPT.

Patrząc w przyszłość, wciąż jest wiele do poprawy. Tylna tekstura i reflektor optyczny mogą być dalej udoskonalane, aby wzmocnić pułapkę świetlną w krzemowym ogniwie dolnym, zwiększyć jego prąd i osiągnąć dopasowanie prądowe. FF i Voc pozostają wąskimi gardłami ograniczającymi ogólną wydajność, dlatego strategie pasywacji kontaktów muszą być pogłębione. Warto również wypróbować alternatywne architektury połączeń, takie jak krzemowe złącza tunelowe. Jeśli chodzi o skalowanie do produkcji, grubość TCO i projekt siatki metalizacji muszą być dostrojone razem, aby na dużych obszarach zacienienie nie było zbyt duże, a przewodnictwo boczne nie ucierpiało. A przy cieńszej warstwie zużycie indu spada, co przynosi korzyści dla zrównoważonego rozwoju.

Opinia Ooitech

To, co się tutaj wyróżnia, to fakt, że kilka nanometrów ITO może wpływać zarówno na optykę, jak i krystalizację na tej 600-nanometrowej teksturze piramid, a ten sam problem konforemnego pokrycia pojawia się, gdy linie tandemowe przechodzą z laboratoryjnych próbek do pełnowymiarowych modułów. Na hali produkcyjnej etapy tabber-stringer, układania i laminowania muszą respektować te delikatne interkonekty i interfejsy SAM, co sprawia, że jednolite, dobrze dostrojone urządzenia linii modułowej są warte swojej ceny. Jeśli chcesz zobaczyć, jak te procesy wyglądają w rzeczywistej skali fabrycznej, kanał Ooitech na YouTube pod adresem www.youtube.com/ooitech jest wart obserwowania.