26,2% certifierad verkningsgrad – genombrott

Snabbt svar: En helt perovskitbaserad tandem-solmodul har uppnått 26,2 % certifierad verkningsgrad, ett resultat som är viktigt eftersom helt perovskitbaserad undviker kiselbottencellen helt. Modulen uppvisade en öppen kretsspänning på cirka 2,182 V, vilket är nära dubbelt en enkelövergångs-kiselcell och är kännetecknet för två övergångar i serie. Certifieringstestningen inkluderade fukt-värmeexponering vid 85 °C och IEC 61215 mekaniska krav, med en testgeometri i klassen 5 mm till 30 mm. Perovskit-tandem har historiskt misslyckats med stabilitet snarare än verkningsgrad, och det är vad som gör ett certifierat resultat annorlunda än ett laboratorierekord. Det återstående gapet till produktion är area: de flesta rekord är på små moduler, och att skala en perovskitbeläggning till en fullstor modul utan pinholes och förlust av enhetlighet är ett separat ingenjörsproblem.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion

All-perovskit tandem-solmoduler betraktas allmänt som en stark kandidat för nästa generations fotovoltaiska teknik tack vare deras höga verkningsgrad och låga kostnadspotential. Ändå har storskalig kommersialisering allvarligt hämmats. Medan småskaliga enheter redan har passerat 30 % verkningsgrad, har storskaliga moduler (≥20 cm²) länge legat runt 24,5 %. De främsta bovarna är den starka nära-infraröda parasitiska absorptionen och den termiska instabiliteten i gränssnittet hos Au/PEDOT:PSS-strukturen i konventionella guld-baserade tunnelrekombinationsövergångar (TRJ), tillsammans med försämrad laddningstransport i storskaliga Pb-Sn-perovskitfilmer orsakad av icke-uniform kristallisation under bladbeläggning.

Denna studie utvecklar en lösningsbearbetad TRJ byggd på ytmodifierade In₂O₃-nanokristaller. Genom att justera nanokristallmorfologi och ytkemi uppnådde teamet hög optisk transparens, jämna gränssnitt och idealisk energinivåanpassning. Samtidigt introducerades fosfonsyra-baserade tillsatser i Pb-Sn-perovskitprekursorn för att förbättra elektronisk kontakt med In₂O₃-rekombinationsskiktet, förbättra håluttagning och justera kristallisationskinetiken för att lindra restspänning i storskaliga filmer. Denna kombinerade strategi ökar samtidigt bärarrekombinationseffektiviteten vid övergången, laddningsuttagning och storskalig filmuniformitet, vilket slutligen levererar en JET-certifierad verkningsgrad på 26,2 % över en 65 cm² aperturarea (VOC = 2,182 V, FF = 77,4 %, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — en viktig milstolpe på vägen mot uppskalning av all-perovskit tandem-fotovoltaik.

Design och fördelar med den nya TRJ

Arbetet föreslår ett lösningsbearbetat alternativ: en ny TRJ (Typ III) konstruerad av ytmodifierade indiumoxid-nanokristaller (In₂O₃ NCs). Den jämförs systematiskt med den konventionella Au/PEDOT:PSS Typ I-strukturen och en Typ II-struktur baserad på kommersiella ITO-nanokristaller.

Struktur- och gränssnittsegenskaper

De självsyntetiserade In₂O₃-nanokristallerna (NC) har en betydligt mindre partikelstorlek än kommersiella ITO-nanokristaller, vilket bildar ett jämnare begravt gränssnitt och effektivt sänker defektdensiteten vid kontakten. Elektriska tester visar att typ III-strukturen uppvisar idealisk ohmsk kontaktbeteende utan laddningstransportbarriär.

Optisk och termisk stabilitet

Optisk karakterisering visar att PEDOT:PSS i typ I orsakar allvarliga parasitära absorptionsförluster, medan In₂O₃-nanokristallfilmen är mycket optiskt transparent. Vid accelererad termisk åldring vid 85 °C sjönk moduleffektiviteten för typ I till under hälften av dess initiala värde inom 50 timmar, medan typ II och typ III baserade på nanokristaller behöll cirka 75 % av den initiala effektiviteten efter 200 timmar. På ett 10×10 cm²-substrat visade bladbelagda nanokristallfilmer en mycket mer enhetlig optisk absorption än tunt termiskt förångade Au-filmer, vilket fullständigt demonstrerar den inneboende fördelen med lösningsprocessade nanokristaller i skalbar tillverkning.

Optimering av tillverkning av storskaliga perovskitfilmer

Med TRJ:ns optiska förlust och instabilitet löst blev enhetlig tillverkning av storskaliga Pb-Sn-perovskitfilmer nästa tekniska barriär. Konventionella DMF/DMSO-lösningsmedelssystem har höga kokpunkter och långsam avdunstning, så deras nukleationskinetik släpar efter vid höghastighetsbladbeläggning, vilket gör det svårt att bilda enhetliga filmer på stora substrat.

För att lösa detta utvecklade teamet ett binärt lösningsmedelssystem baserat på 2-metoxietanol (2-Me) och tetrahydrofuran (THF). Med sin låga kokpunkt och höga ångtryck når detta system snabbt kritisk övermättnad och påskyndar markant nukleationen. Med detta ökades bladbeläggningshastigheten för Pb-Sn-perovskit från 5 mm/s i det traditionella DMF-systemet ända upp till 30 mm/s, vilket ger mycket enhetlig fotoluminescensintensitet (PL) och utmärkt enhetskonsistens på 10×10 cm² och större substrat. Detta lyckades lösa kristallisationskinetikens utmaning för storskalig beläggning och uppnådde en preliminär validering av 17,5 % effektivitet över en aperturyta på 65 cm².

Ytligandteknik och energinivåanpassning

Efter att PEDOT:PSS avlägsnats minskade optiska förluster, men öppen kretsspänning (VOC) och fyllnadsfaktor (FF) sjönk, vilket tillskrevs ökade gränssnittstransportbarriärer och icke-strålande rekombination mellan perovskiten och nanokristallskiktet. För att åtgärda detta genomförde studien en dubbel synergistisk optimeringsstrategi:

Ytligandteknik för att justera energinivåer

Genom ligandutbyte användes MMES och MMPA för att modifiera ytan på In₂O₃-nanokristallerna (NC). UV-fotoelektronspektroskopi (UPS) visade att MMPA-modifierade In₂O₃-NC uppnår gynnsam gränsytans bandböjning med den avsedda perovskitfilmen (uppåtböjning på cirka 50 meV), vilket avsevärt främjar håluttag, medan OAm- eller MMES-modifiering orsakade nedåtböjning och en transportbarriär. Rymdladdningsbegränsad ström (SCLC) tester uteslöt eventuell ligandinterferens på rörligheten i sig, vilket bekräftar att prestandavinsten främst härrör från optimerad energinivåanpassning.

Volymdopning med fosfonsyrabaserat hålselektivt material (HSM)

Teamet dopade fosfonsyra-HSM såsom MeO-2PACz direkt i Pb-Sn-perovskitprekursorn (optimerad vid 0,2 mol%) snarare än att begränsa dem till gränsytmodifiering. Denna volymdopningsstrategi undviker problemet med ojämn SAM-täckning över stora ytor. UPS visade att efter HSM-dopning skiftade perovskitens arbetsfunktion från 5,04 eV till 4,81 eV, valensbandets maximum flyttades uppåt och n-karaktären försvagades, vilket bättre matchar energinivåerna hos In₂O₃-NC. Den resulterande HTL-fria enkeljonssolcellen av Pb-Sn nådde 23% verkningsgrad, medan en bladbestruken enhet som använde In₂O₃-MMPA-NC som håltransportlager (HTL) uppnådde 24,0% omvänd skanningsverkningsgrad med en JSC så hög som 33,8 mA cm⁻².

Flera roller för HSM på perovskitfilmen

HSM:s roll går långt bortom laddningstransport – det påverkar djupt filmkristallisation och defektpassivering:

Kristallisationskontroll och defektsuppression

Svepelektronmikroskopi (SEM) visade att efter HSM-dopning försvann de dendritiska föroreningar som ursprungligen skar över korngränserna i Pb-Sn-filmen, kornstorleken ökade markant och korngränserna fick ett "sammansmält" utseende. GIWAXS och XRD bekräftade att HSM effektivt undertryckte bildningen av PbI₂-föroreningsfasen. Vätskefas ¹H-NMR avslöjade vidare att HSM, genom preferentiell deprotonering, förbrukar fria sura fosfonsyragrupper, vilket förhindrar deras sura deprotonering av FA⁺-katjoner och stabiliserar prekursorkemin.

Förbättrad bärardynamik

Transient absorptionsspektroskopi (TAS) visade att defektassisterad icke-strålande rekombination markant undertrycktes efter HSM-dopning. Steady-state PL-intensiteten ökade kraftigt, den genomsnittliga PL-livslängden förlängdes från 1042 ns till 1889 ns, med särskilt stark passivering vid bottenytan, vilket effektivt minskade laddningsinfångning vid den begravda gränsytan. OPTP-spektroskopi visade att målfilmens bärarmobilitet ökade från 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ till 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ och diffusionslängden växte från 2,65 μm till 4,78 μm, vilket bekräftar en allsidig förbättring av bulkfilmens kvalitet.

Prestanda och stabilitet för moduler med stor yta

Baserat på dessa synergistiska strategier tillverkade teamet en all-perovskit tandemmodul med en aperturyta på 65 cm² (14 delceller i serie). Championmodulen med Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ nådde 26,6 % laboratorietestad verkningsgrad (omvänd skanning), med VOC på 30,4 V, JSC på 1,12 mA cm⁻² och FF på 78,2 %. Dess JET-certifierade stabiliserade verkningsgrad nådde 26,2 %, klart bättre än kontrollmodulen med konventionell Type I TRJ (24,8 %). Efter optimering av dödzonen nådde den geometriska fyllnadsfaktorn 96,5 %, vilket gav en ekvivalent aktiv-area-verkningsgrad på så hög som 27,6 %. EQE-rymdkartläggning visade att över 16 olika positioner var de integrerade strömtätheterna för de övre och nedre delcellerna i genomsnitt 16,3 respektive 16,2 mA cm⁻² — nära överensstämmande med J-V-resultaten och båda överskred den tidigare rapporterade modulflaskhalsen på under 15 mA cm⁻².

När det gäller tillförlitlighet, enligt IEC 61215:2021-standarden, nådde den inkapslade Type III-modulen en T90-livslängd (bibehåller 90 % av initial verkningsgrad) på 771 timmar under kontinuerlig 1-sol MPP-spårning, och höll fortfarande 82,5 % verkningsgrad efter 1000 timmar. I det krävande fuktvärmetestet vid 85 °C/85 % RH (ISOS-D-3) nådde Type III-modulen en genomsnittlig T84-livslängd på 1000 timmar, medan Type I-modulen redan hade sjunkit under 40 % verkningsgrad; i termocyklingstestet från -40 °C till 85 °C (ISOS-T-3) behöll Type III-modulen 93 % av initial verkningsgrad efter 200 cykler. Alla accelererade åldringsexperiment bekräftade att den enastående stabiliteten hos Type III beror på fullständig eliminering av de instabilitetsfaktorer som utlöses av PEDOT:PSS.

Genom ytteknik med In₂O₃-nanokristallrekombinationsövergångar och synergistisk bulk/gränssnitts-HSM-teknik uppnådde detta arbete framgångsrikt en certifierad verkningsgrad på 26,2 % för en helperovskit-tandemsolmodul över en aperturyta på 65 cm², vilket levererar omfattande genombrott i modulstorlek, verkningsgrad och driftstabilitet. Arbetet demonstrerar starkt kommersialiseringspotentialen för helperovskit-tandemfotovoltaisk teknik. Framöver kräver en utökning av modularean bortom 800 cm² synergistisk optimering av deponeringsprocesser såsom slot-die-beläggning tillsammans med metoder som vakuumassisterad kristallisering, för att säkerställa högkvalitativ, enhetlig tillverkning av stora bred- och smalbandsgap-delceller.

Referens- och testutrustning

En komposit-perovskit MPPT-testare som använder en LED av A+AA+-klass solsimulator som åldringskälla ger starkt stöd för perovskit-solcellsforskning genom avancerad teknik och multifunktionell design. Sådana instrument används främst för stabilitetstestning av färdiga perovskit-enkel- och tandemceller. Eftersom perovskitcellers uteffektkarakteristik lätt påverkas av miljöfaktorer som ljus och temperatur, fluktuerar den maximala effektpunkten ofta. En MPPT-styrenhet spårar och låser den maximala effektpunkten i realtid, vilket säkerställer att systemet alltid arbetar vid optimal uteffekt.

Referens: Nanokristallskräddarsydd rekombination för helperovskit-tandemsolmoduler

Ooitechs syn

Ooitech anser: ytteknik med In₂O₃-nanokristallrekombinationsövergångar tillsammans med HSM-bulk/gränssnittsteknik har drivit stora helperovskit-tandemsolmoduler till en certifierad verkningsgrad på 26,2 %, vilket för denna teknik ett avgörande steg närmare kommersialisering.