Kejayaan Kecekapan Diperakui 26.2% dalam Modul Tandem Semua-Perovskit Kawasan Luas: Persimpangan Penggabungan Semula Terowong Nanokristal In₂O₃

Pengenalan

Modul suria tandem semua-perovskit secara meluas dianggap sebagai pesaing kuat untuk teknologi fotovoltaik generasi akan datang berkat kecekapan tinggi dan potensi kos rendah mereka. Namun, pengkomersilan kawasan luas telah terhalang dengan serius. Walaupun peranti kawasan kecil telah melepasi kecekapan 30%, modul kawasan luas (≥20 cm²) telah lama terperangkap sekitar 24.5%. Penyebab utama adalah penyerapan parasit inframerah dekat yang kuat dan ketidakstabilan terma antara muka struktur Au/PEDOT:PSS dalam persimpangan penggabungan semula terowong (TRJ) berasaskan emas konvensional, bersama-sama dengan pengangkutan cas yang merosot dalam filem perovskit Pb-Sn kawasan luas yang disebabkan oleh penghabluran tidak seragam semasa salutan bilah.

Kajian ini membangunkan TRJ yang diproses secara larutan berdasarkan nanokristal In₂O₃ yang diubah suai permukaan. Dengan menala morfologi nanokristal dan kimia permukaan, pasukan mencapai ketelusan optik yang tinggi, antara muka yang licin, dan penjajaran tahap tenaga yang ideal. Pada masa yang sama, bahan tambah jenis asid fosfonik diperkenalkan ke dalam prekursor perovskit Pb-Sn untuk meningkatkan sentuhan elektronik dengan lapisan penggabungan semula In₂O₃, meningkatkan pengekstrakan lubang, dan menala kinetik penghabluran untuk melegakan tegasan baki dalam filem kawasan luas. Strategi gabungan ini secara serentak meningkatkan kecekapan penggabungan semula pembawa di persimpangan, pengekstrakan cas, dan keseragaman filem kawasan luas, akhirnya menghasilkan kecekapan 26.2% yang diperakui JET pada luas apertur 65 cm² (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — satu pencapaian penting dalam perjalanan untuk meningkatkan skala fotovoltaik tandem semua-perovskit.

Reka Bentuk dan Kelebihan TRJ Baharu

Kerja ini mencadangkan alternatif yang diproses secara larutan: TRJ baharu (Jenis III) yang dibina daripada nanokristal indium oksida (In₂O₃ NCs) yang diubah suai permukaan. Ia dibandingkan secara sistematik dengan struktur Jenis I Au/PEDOT:PSS konvensional dan struktur Jenis II berdasarkan nanokristal ITO komersial.

Struktur dan ciri antara muka

In₂O₃ NCs yang disintesis sendiri mempunyai saiz zarah yang jauh lebih kecil daripada ITO NCs komersial, membentuk antara muka terbenam yang lebih licin dan berkesan mengurangkan ketumpatan kecacatan sentuhan. Ujian elektrik menunjukkan struktur Jenis III mempamerkan tingkah laku sentuhan ohmik yang ideal tanpa halangan pengangkutan cas.

Kestabilan optik dan terma

Pencirian optik menunjukkan bahawa PEDOT:PSS dalam Jenis I menyebabkan kehilangan penyerapan parasit yang teruk, manakala filem In₂O₃ NC adalah sangat telus optik. Di bawah penuaan terma dipercepatkan 85°C, kecekapan modul Jenis I menurun kepada separuh daripada nilai awalnya dalam masa 50 jam, manakala Jenis II dan Jenis III berasaskan NC mengekalkan kira-kira 75% kecekapan awal selepas 200 jam. Pada substrat 10×10 cm², filem NC yang disalut bilah menunjukkan penyerapan optik yang jauh lebih seragam daripada filem Au yang disejat terma nipis, menunjukkan sepenuhnya kelebihan semula jadi nanokristal yang diproses secara larutan dalam pembuatan berskala.

Mengoptimumkan Pembuatan Filem Perovskit Kawasan Luas

Dengan kehilangan optik dan ketidakstabilan TRJ diselesaikan, pembuatan seragam filem perovskit Pb-Sn kawasan luas menjadi halangan teknikal seterusnya. Sistem pelarut DMF/DMSO konvensional mempunyai takat didih yang tinggi dan kemeruapan yang perlahan, jadi kinetik nukleasinya ketinggalan semasa salutan bilat berkelajuan tinggi, menyukarkan pembentukan filem seragam pada substrat besar.

Untuk menyelesaikan masalah ini, pasukan membangunkan sistem pelarut binari berdasarkan 2-metoksietanol (2-Me) dan tetrahidrofuran (THF). Dengan takat didih yang rendah dan tekanan wap yang tinggi, sistem ini mencapai supersaturasi kritikal dengan cepat dan mempercepatkan nukleasi dengan ketara. Menggunakannya, kelajuan salutan bilah Pb-Sn perovskit ditingkatkan daripada 5 mm/s dalam sistem DMF tradisional sehingga 30 mm/s, menghasilkan keamatan fotoluminesens (PL) yang sangat seragam dan konsistensi peranti yang sangat baik pada substrat 10×10 cm² dan lebih besar. Ini berjaya mengatasi cabaran kinetik penghabluran salutan kawasan luas dan mencapai pengesahan kecekapan awal 17.5% pada kawasan apertur 65 cm².

Kejuruteraan Ligan Permukaan dan Padanan Aras Tenaga

Selepas mengeluarkan PEDOT:PSS, kehilangan optik berkurangan, tetapi voltan litar terbuka (VOC) dan faktor isian (FF) menurun, disebabkan oleh peningkatan halangan pengangkutan antara muka dan penggabungan semula bukan sinaran antara perovskit dan lapisan NC. Untuk menangani perkara ini, kajian melaksanakan strategi pengoptimuman sinergi dwi:

Kejuruteraan ligan permukaan untuk menala aras tenaga

Melalui pertukaran ligan, MMES dan MMPA digunakan untuk mengubah suai permukaan NC In₂O₃. Spektroskopi fotoelektron ultraungu (UPS) menunjukkan bahawa NC In₂O₃ yang diubah suai MMPA mencapai lenturan jalur antara muka yang baik dengan filem perovskit sasaran (lenturan ke atas kira-kira 50 meV), dengan ketara menggalakkan pengekstrakan lubang, manakala pengubahsuaian OAm atau MMES menyebabkan lenturan ke bawah dan halangan pengangkutan. Ujian arus terhad cas ruang (SCLC) menolak sebarang gangguan ligan terhadap mobiliti itu sendiri, mengesahkan bahawa peningkatan prestasi terutamanya berasal daripada penjajaran aras tenaga yang dioptimumkan.

Pendopan pukal dengan bahan pemilih lubang asid fosfonik (HSM)

Pasukan mendopan HSM asid fosfonik seperti MeO-2PACz terus ke dalam prekursor Pb-Sn perovskit (dioptimumkan pada 0.2 mol%) dan bukannya menghadkannya kepada pengubahsuaian antara muka. Strategi pendopan pukal ini mengelakkan masalah liputan SAM yang tidak sekata di kawasan luas. UPS menunjukkan bahawa selepas pendopan HSM, fungsi kerja perovskit beralih daripada 5.04 eV kepada 4.81 eV, jalur valens maksimum bergerak ke atas, dan sifat-n menjadi lemah, lebih baik memadankan aras tenaga NC In₂O₃. Sel Pb-Sn simpang tunggal tanpa HTL yang terhasil mencapai kecekapan 23%, manakala peranti bersalut bilah menggunakan NC In₂O₃-MMPA sebagai lapisan pengangkut lubang (HTL) mencapai kecekapan imbasan songsang 24.0% dengan JSC setinggi 33.8 mA cm⁻².

Pelbagai Peranan HSM pada Filem Perovskit

Peranan HSM jauh melampaui pengangkutan cas — ia mempengaruhi secara mendalam penghabluran filem dan pasif kecacatan:

Kawalan penghabluran dan penindasan kecacatan

Mikroskopi elektron pengimbasan (SEM) menunjukkan bahawa selepas doping HSM, kekotoran dendritik yang asalnya memotong sempadan butiran dalam filem Pb-Sn hilang, saiz butiran meningkat dengan ketara, dan sempadan butiran kelihatan 'bercantum'. GIWAXS dan XRD mengesahkan bahawa HSM berkesan menindas pembentukan fasa kekotoran PbI₂. Spektroskopi ¹H NMR keadaan cecair selanjutnya mendedahkan bahawa HSM, melalui deprotonasi keutamaan, menggunakan kumpulan fosfonik berasid bebas, dengan itu menghalang deprotonasi berasid kation FA⁺ dan menstabilkan kimia prekursor.

Dinamik pembawa yang diperbaiki

Spektroskopi penyerapan sementara (TAS) menunjukkan bahawa penggabungan semula bukan radiasi berbantukan kecacatan ditindas dengan ketara selepas doping HSM. Keamatan PL keadaan mantap meningkat secara mendadak, purata jangka hayat PL dilanjutkan daripada 1042 ns kepada 1889 ns, dengan pasivasi yang sangat kuat pada antara muka bawah, berkesan mengurangkan perangkap cas pada antara muka tertimbus. Spektroskopi OPTP menunjukkan mobiliti pembawa filem sasaran meningkat daripada 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ kepada 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ dan panjang resapan meningkat daripada 2.65 μm kepada 4.78 μm, mengesahkan peningkatan menyeluruh dalam kualiti filem pukal.

Prestasi dan Kestabilan Modul Kawasan Luas

Berdasarkan strategi sinergistik ini, pasukan itu menghasilkan modul tandem semua-perovskit dengan luas apertur 65 cm² (14 sub-sel secara bersiri). Modul juara menggunakan TRJ Jenis III (In₂O₃-MMPA) mencapai kecekapan ujian makmal 26.6% (imbasan terbalik), dengan VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻², dan FF 78.2%. Kecekapan stabil yang diperakui JET mencapai 26.2%, jelas mengatasi modul kawalan yang menggunakan TRJ Jenis I konvensional (24.8%). Selepas pengoptimuman zon mati, faktor isian geometri mencapai 96.5%, memberikan kecekapan kawasan aktif setara setinggi 27.6%. Pemetaan ruang EQE menunjukkan bahawa, merentasi 16 kedudukan berbeza, ketumpatan arus bersepadu sub-sel atas dan bawah masing-masing purata 16.3 dan 16.2 mA cm⁻² — padanan rapat dengan keputusan J-V dan kedua-duanya memecahkan kesesakan modul sub-15 mA cm⁻² yang dilaporkan sebelum ini.

Dari segi kebolehpercayaan, mengikut piawaian IEC 61215:2021, modul Jenis III yang terkapsul mencapai jangka hayat T90 (mengekalkan 90% kecekapan awal) selama 771 jam di bawah penjejakan MPP 1-sun berterusan, dan masih mengekalkan kecekapan 82.5% selepas 1000 jam. Dalam ujian haba lembap 85°C/85% RH yang mencabar (ISOS-D-3), modul Jenis III mencapai purata jangka hayat T84 selama 1000 jam, manakala modul Jenis I telah jatuh di bawah 40% kecekapan; dalam ujian kitaran haba -40°C hingga 85°C (ISOS-T-3), modul Jenis III mengekalkan 93% kecekapan awal selepas 200 kitaran. Semua eksperimen penuaan dipercepat mengesahkan bahawa kestabilan cemerlang Jenis III berpunca daripada penghapusan sepenuhnya faktor ketidakstabilan yang dicetuskan oleh PEDOT:PSS.

Melalui simpang penggabungan semula nanokristal In₂O₃ yang direkayasa permukaan dan kejuruteraan HSM pukal/antara muka yang sinergistik, kerja ini berjaya mencapai modul suria tandem semua-perovskit dengan kecekapan diperakui 26.2% di atas kawasan apertur 65 cm², memberikan kejayaan menyeluruh dalam saiz modul, kecekapan, dan kestabilan operasi. Kerja ini menunjukkan potensi pengkomersialan teknologi fotovoltaik tandem semua-perovskit. Memandang ke hadapan, menolak luas modul melebihi 800 cm² memerlukan pengoptimuman sinergistik proses pemendapan seperti salutan slot-die bersama kaedah seperti penghabluran berbantu vakum, untuk memastikan fabrikasi seragam berkualiti tinggi bagi sub-sel jalur lebar dan jalur sempit luas.

Rujukan dan Peralatan Ujian

Penguji MPPT perovskit komposit yang menggunakan simulator suria LED gred A+AA+ sebagai sumber penuaan memberikan sokongan kuat untuk penyelidikan sel suria perovskit melalui teknologi canggih dan reka bentuk pelbagai fungsi. Instrumen sedemikian digunakan terutamanya untuk ujian kestabilan sel perovskit simpang tunggal dan tandem siap. Oleh kerana ciri keluaran sel perovskit mudah dipengaruhi oleh faktor persekitaran seperti cahaya dan suhu, titik kuasa maksimum sering berubah-ubah. Pengawal MPPT menjejak dan mengunci titik kuasa maksimum dalam masa nyata, memastikan sistem sentiasa beroperasi pada output kuasa optimum.

Rujukan: Penggabungan semula dilaras nanokristal untuk modul suria tandem semua-perovskit

Pandangan Ooitech

Ooitech percaya: simpang penggabungan semula nanokristal In₂O₃ yang direkayasa permukaan digabungkan dengan kejuruteraan pukal/antara muka HSM telah mendorong modul tandem semua-perovskit luas besar kepada kecekapan diperakui 26.2%, membawa teknologi ini selangkah lebih dekat kepada pengkomersialan.