Pengenalan Produk

Sel solar tandem perovskit/silikon monolitik adalah salah satu laluan paling jelas melepasi siling kecekapan peranti simpang tunggal. Sel atas dan sel bawah disambung secara bersiri melalui lapisan antara sambungan penggabungan semula, dan seberapa baik antara muka itu menentukan sama ada pembawa boleh diangkut dan digabungkan semula dengan lancar. Masalahnya terletak pada permukaan bertekstur piramid mikro sel bawah silikon heterojunction (SHJ). Piramid tersebut setinggi kira-kira 600 nm, dan di atas rupa bumi itu lapisan penggabungan semula mengalami kerugian parasit optik manakala lapisan tunggal terhimpun sendiri (SAM) tidak pernah merebak secara sekata. Lama-kelamaan ini menurunkan prestasi peranti.

Kerja ini mengukur lapisan antara sambungan indium timah oksida (ITO) dari ketebalan 2 hingga 30 nm dan mendapati bahawa lapisan 8 nm yang sangat nipis berfungsi paling baik pada dua aspek sekaligus: mengurangkan kerugian optik dan meningkatkan keseragaman potensi permukaan. Setelah pengubahsuaian NiOx dan fungsionalisasi Poly-SAM ditindih di atas, ketumpatan arus litar pintas meningkat sebanyak 0.85 mA cm⁻² untuk mencapai 20.82 mA cm⁻², kecekapan penukaran kuasa mencapai 31.80%, dan selepas 500 jam penjejakan titik kuasa maksimum peranti masih mengekalkan 96% daripada kecekapan awalnya.

Kaedah Eksperimen

Sel bawah SHJ menggunakan wafer silikon jenis-n, setebal 110 ± 10 µm, bertekstur dua sisi KOH menjadi piramid setinggi kira-kira 600 nm. Selepas pembersihan RCA, PECVD memendapkan lapisan pasif dan terdop secara berurutan: bahagian depan mendapat 8 nm a-Si:H(i) intrinsik ditambah 15 nm nc-SiOx:H(n) jenis-n, bahagian belakang mendapat 8 nm a-Si:H(p) jenis-p, kemudian 110 nm ITO disput dan 700 nm Ag disejat di belakang. Di bahagian depan, enam ketebalan antara sambungan ITO dimendapkan secara berasingan: 2, 5, 8, 10, 20 dan 30 nm, disepuh lindap pada 180°C dan digores laser.

Sel perovskite atas mengikuti laluan ini. Sel bawah terlebih dahulu disepuhlindap dan dirawat UV-ozon, kemudian NiOx dimendapkan melalui sputtering magnetron, diikuti dengan langkah sepuhlindap dan UV-ozon yang lain. Di dalam sarung tangan nitrogen, Poly-SAM disalut putar (0.5 mg mL⁻¹, pelarut metanol dan klorobenzena pada 1:1) dan disepuhlindap pada 100°C. Perovskit adalah Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ dengan jurang jalur 1.68 eV, disalut putar dalam dua langkah, dengan klorobenzena dititiskan sebagai antipelarut semasa peringkat kelajuan tinggi dan dibakar pada 100°C selama 20 minit. Permukaan diubah suai dengan PDADI, kemudian C₆₀ disejat secara terma, SnO₂ ditumbuhkan oleh ALD, IZO 45 nm disputter, elektrod Ag disejat, dan akhirnya filem anti-pantulan MgF₂ menutup timbunan.

Kelebihan Teknikal

Sifat Optoelektronik Lapisan Antara ITO

(a) Rsh, Ne dan µ berbanding ketebalan (n = 10); (b) penyerapan dan pantulan optik lapisan ITO; (c) fungsi kerja berbanding ketebalan; (d) peralihan fungsi kerja (ΔWF) sebelum dan selepas rawatan NiOx pada ketebalan berbeza; (e) skema taburan SAM pada ITO yang diubah suai NiOx; (f) peta potensi permukaan KPFM ITO antara 2–30 nm; (g) peta potensi permukaan KPFM ITO antara 8 nm sebelum dan selepas fungsionalisasi NiOx dan Poly-SAM.

Pengukuran kesan Hall menunjukkan rintangan kepingan menurun apabila ketebalan filem meningkat, seperti yang dijangkakan. Kepekatan pembawa kekal agak stabil antara 8 dan 30 nm, sekitar 2.8 hingga 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, tetapi apabila di bawah 8 nm ia mula menurun. Mobiliti hanya menurun sedikit dalam tetingkap sempit 2 hingga 8 nm, tanda integriti filem masih utuh. 8 nm berada di titik manis di mana rintangan kepingan cukup rendah dan prestasi elektrik belum runtuh.

(a) Spektrum XPS O 1s resolusi tinggi yang dipadankan puncak lapisan ITO pada permukaan sel bawah c-Si bertekstur. (b) Spektrum XPS resolusi tinggi lapisan ITO 8 nm pada sel bawah c-Si bertekstur sebelum dan selepas pengubahsuaian NiOx. (c) Imej SEM keratan rentas lapisan ITO 8 nm pada sel bawah c-Si bertekstur. (d) Peta unsur EDS yang sepadan bagi kawasan fokus sampel ITO 8 nm, dengan legenda warna-unsur di sudut kanan atas.

Secara optik, menipiskan ITO mengurangkan kedua-dua pantulan dan penyerapan di atas 450 nm, berkat gangguan destruktif ditambah dengan penyerapan pembawa bebas yang lebih lemah.

• UPS menunjukkan fungsi kerja meningkat apabila ketebalan mengecil, dan selepas pengubahsuaian NiOx serta penyepuhlindapan, puncak fungsi kerja beralih pada 8 nm.

• Imbasan kawasan KPFM mendedahkan bahawa ITO sub-10 nm menekan semua titik pintasan setempat, dengan 8 nm memberikan keseragaman terbaik.

• XPS menemui butiran menarik: permukaan ITO 8 nm mempunyai ketumpatan hidroksil yang lebih tinggi daripada ITO 20 nm, dan hidroksil tersebut membentuk ikatan jambatan In─O─Ni dengan NiOx, membolehkan NiOx tersebar lebih sekata dan melekat lebih kukuh. Selepas pengubahsuaian, isyarat In hilang sepenuhnya, yang menunjukkan kualiti lapisan penutup adalah sangat baik dan meletakkan asas yang kukuh untuk pemasangan sendiri SAM yang berikutnya.

• SEM dan EDS juga mengesahkan bahawa ITO 8 nm memberikan liputan konformal ke atas tekstur.

Prestasi Fotovoltaik Sel Tandem

(a) Variasi Jsc dalam sel tandem perovskit/silikon; (b) variasi Voc; (c) variasi FF; (d) variasi PCE; (e) imej SEM keratan rentas sel tandem pada ITO; (f) corak XRD filem perovskit pada ITO; (g) spektrum PL keadaan mantap filem perovskit pada ITO; (h) lengkung PL keadaan mantap yang dinormalkan; (i) spektrum pereputan TRPL sementara filem perovskit pada ITO; (j) imej fotoluminesens sel tandem, luas aktif 0.928 cm².

Kesemua enam ketebalan antara sambungan ITO telah melalui ujian J-V.

• Di bawah 5 nm, Voc dan FF menurun dengan ketara. Voc tidak dapat melebihi 1.7 V dan PCE hanya mencapai 21.68%, terutamanya kerana filem sudah tidak selanjar pada tekstur piramid.

• 8 nm adalah jawapan terbaik. SEM keratan rentas menunjukkan butiran perovskit lebih besar dan lebih padat pada ITO ultra-nipis (di bawah 10 nm), dan XRD mengesahkan kualiti kristal yang lebih baik, walaupun sampel 5 nm menunjukkan puncak PbI₂, tanda degradasi telah bermula. Keamatan PL keadaan mantap meningkat dari 30 nm hingga 8 nm, kemudian menurun semula, jadi 8 nm berada tepat pada puncak, sepadan dengan ketumpatan kecacatan terendah.

• Puncak ciri PL yang dinormalkan tidak beralih, bermakna sifat penggabungan semula bukan radiasi antara muka kekal sama. Jangka hayat pembawa TRPL juga paling panjang pada 8 nm. Keputusan ini berpunca daripada dipol bersih yang lebih kuat dan fungsi kerja yang lebih seragam yang dibawa oleh Poly-SAM, meningkatkan Voc dan FF bersama-sama. Pengimejan PL juga mendedahkan ketidakseragaman sub-mikron di dalam sub-sel perovskit, tetapi lapisan ITO rintangan tinggi ultra-nipis mempunyai kerintangan sisi yang tinggi, jadi jangkauan pintasan setempat telah dikurung dengan berkesan dan tidak pernah menjejaskan keseluruhan peranti.

Peningkatan Ketumpatan Arus

(a) Lengkung EQE sub-sel perovskit dan silikon di bawah lapisan antara ITO 8 nm; (b) Lengkung EQE sel tandem awal dan dioptimumkan.

Lapisan IZO depan dinilai dengan angka merit Aw × Rsheet⁻¹, dan 45 nm adalah yang terbaik. Menipiskan ITO antara dari 20 nm ke 10 nm ke 8 nm meningkatkan purata Jsc dari 19.78 ke 19.96 ke 20.55 mA cm⁻². Ketumpatan arus bersepadu EQE sub-sel perovskit dan silikon masing-masing adalah 20.64 dan 20.51 mA cm⁻², selaras dengan data J-V. Berbanding ITO 20 nm, ITO 8 nm memberikan sub-sel perovskit tambahan 0.06 mA cm⁻² dan sub-sel silikon tambahan 0.47, dengan sumbangan inframerah dekat dari sel bawah silikon mendapat paling banyak.

Aplikasi Produk

Prestasi dan Kestabilan Peranti

(a) Struktur skematik dan gambar sel solar tandem perovskit/silikon; (b) imej SEM keratan rentas sel tandem; (c) lengkung J-V sub-sel perovskit dan silikon simpang tunggal; (d) lengkung J-V wakil sel berprestasi tinggi; (e) variasi Rs dalam sel tandem perovskit/silikon yang dibina pada lapisan antara ITO 30 nm hingga 2 nm; (f) keputusan ujian MPPT sel tandem yang dikapsulkan di bawah pencahayaan 1-matahari.

Setelah ketebalan antara ITO ditetapkan, purata PCE peranti tandem meningkat dari 28.64% ke 30.67%. ITO 2 nm membawa rintangan siri Rs setinggi 41.26 Ω, jadi sambungan siri pada dasarnya terputus. Rs 8 nm jauh lebih rendah, impedans dalaman menurun, dan kehilangan voltan berhampiran titik kuasa maksimum mengecil. Dari segi kestabilan, sel tandem ITO 8 nm mengekalkan 96% PCE awalnya selepas 500 jam MPPT, manakala sel ITO 20 nm hanya mengekalkan 90%, meletakkannya antara yang paling stabil dalam keluarga antara TCO/SAM. Mengapa begitu stabil? Liputan Poly-SAM tinggi, dan penghabluran perovskit bertambah baik bersamanya.

Kawasan yang diliputi oleh SAM mempunyai tenaga permukaan yang rendah, dan kumpulan asid fosfonik berkoordinasi dengan Pb²⁺ dan FA⁺, membimbing perovskit untuk tumbuh secara perlahan dan teratur, sehingga butiran menjadi besar. Pada kawasan ITO kosong, tiada kesan templat sedemikian, nukleasi berlaku dengan cepat dan tidak teratur, dan butiran menjadi kecil dengan banyak sempadan butiran. Selain itu, Poly-SAM mempasifkan ikatan tak tepu dan kekosongan halida pada antara muka, migrasi halida ditindas, dan degradasi menjadi perlahan. Potensi permukaan seragam yang dibawa oleh ITO ultra-nipis itu sendiri juga membantu, dan dengan beberapa faktor yang bertindan, jangka hayat peranti meningkat.

Ujian kestabilan MPPT di sini bergantung pada simulator solar LED gred 3A+ sebagai sumber cahaya penuaan, yang boleh mengawal suhu sel dan atmosfera sekeliling dalam beberapa cara untuk menjalankan ujian kestabilan jangka panjang.

Kesimpulan dan Tinjauan

8 nm adalah ketebalan antara sambungan ITO yang optimum untuk sel tandem perovskit/silikon. Ketebalan ini meningkatkan kualiti kristal perovskit dan mengurangkan penyerapan parasit. Selepas pengubahsuaian NiOx dan fungsionalisasi Poly-SAM, potensi permukaan menjadi lebih seragam dan peralihan fungsi kerja lebih ketara. Permukaan ITO 8 nm membawa lebih banyak hidroksil, NiOx tersebar secara rata, SAM tersusun padat, dan liputan konformal pada tekstur telah disahkan oleh SEM dan EDS. Berbanding dengan ITO 20 nm konvensional, peranti yang dioptimumkan mencapai kecekapan juara 31.80%, dengan Jsc meningkat sebanyak 0.85 mA cm⁻² dan 96% daripada kecekapan awal dikekalkan selepas 500 jam MPPT.

Melihat ke hadapan, masih banyak yang perlu diperbaiki. Tekstur belakang dan pemantul optik boleh diperhalusi lagi untuk menguatkan perangkap cahaya dalam sel bawah silikon, meningkatkan arusnya, dan mencapai padanan arus yang tepat. FF dan Voc masih menjadi kekangan yang mengehadkan kecekapan keseluruhan, jadi strategi pasifan sentuhan perlu diperdalam. Seni bina antara sambungan alternatif seperti simpang terowong berasaskan silikon juga patut dicuba. Apabila beralih kepada pengeluaran berskala besar, ketebalan TCO dan reka bentuk grid metalisasi perlu dilaraskan bersama, supaya di kawasan yang luas, teduhan tidak terlalu berat dan konduksi lateral tidak terjejas. Dan dengan lapisan yang lebih nipis, penggunaan indium berkurangan, jadi faedah kelestarian juga diperoleh.

Pandangan Ooitech

Yang menonjol di sini ialah beberapa nanometer ITO boleh mempengaruhi kedua-dua optik dan penghabluran pada tekstur piramid 600 nm itu, dan masalah liputan konformal yang sama itulah yang muncul apabila talian tandem beralih daripada kupon makmal kepada modul bersaiz penuh. Di lantai pengeluaran, langkah-langkah tabber-stringer, layup dan laminasi semuanya perlu menghormati antara muka sambungan rapuh dan SAM ini, di mana peralatan talian modul yang seragam dan ditala dengan baik menunjukkan nilainya. Jika anda ingin melihat bagaimana proses ini kelihatan pada skala kilang sebenar, saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech patut diikuti.