26,2 % certifierad verkningsgradsgenombrott i storskaliga all-perovskit tandemmoduler: In₂O₃-nanokristall-tunnelrekombinationsövergång

Introduktion

All-perovskit tandem-solmoduler betraktas allmänt som en stark kandidat för nästa generations solcellsteknik tack vare deras höga verkningsgrad och lågkostnadspotential. Men storskalig kommersialisering har allvarligt hämmats. Medan småskaliga enheter redan har passerat 30 % verkningsgrad, har storskaliga moduler (≥20 cm²) länge legat runt 24,5 %. De främsta orsakerna är den starka nära-infraröda parasitära absorptionen och gränsytans termiska instabilitet hos Au/PEDOT:PSS-strukturen i konventionella guldbaserade tunnelrekombinationsövergångar (TRJ), tillsammans med försämrad laddningstransport i storskaliga Pb-Sn-perovskitfilmer orsakad av ojämn 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, släta gränssnitt och idealisk energinivåanpassning. Samtidigt introducerades fosfonsyratillsatser i Pb-Sn-perovskitprekursorn för att förbättra elektronisk kontakt med In₂O₃-rekombinationsskiktet, förbättra håluttagning och justera kristallisationskinetiken för att minska kvarvarande spänning i stora filmer. Denna kombinerade strategi ökar samtidigt laddningsrekombinationseffektiviteten vid korsningen, laddningsuttagning och enhetlighet i stora filmer, vilket slutligen levererar en JET-certifierad 26,2% verkningsgrad över en 65 cm² aperturyta (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — en viktig milstolpe på vägen mot uppskalning av all-perovskit tandem-solceller.

Design och fördelar med den nya TRJ

Arbetet föreslår ett lösningsbearbetat alternativ: en ny TRJ (Typ III) konstruerad av ytmodifierade indiumoxidnanokristaller (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 egentillverkade In₂O₃ NCs har mycket mindre partikelstorlek än kommersiella ITO NCs, vilket bildar ett jämnare begravt gränssnitt och effektivt minskar kontaktdensitet av defekter. Elektriska tester visar att Typ III-strukturen uppvisar idealiskt ohmskt kontaktbeteende utan laddningstransportbarriär.

Optisk och termisk stabilitet

Optisk karakterisering visar att PEDOT:PSS i Typ I orsakar allvarlig parasitisk absorptionsförlust, medan In₂O₃ NC-filmen är mycket optiskt transparent. Under accelererad termisk åldring vid 85°C sjönk Typ I-modulens verkningsgrad till under hälften av sitt ursprungliga värde inom 50 timmar, medan NC-baserade Typ II och Typ III behöll cirka 75% av den ursprungliga verkningsgraden efter 200 timmar. På ett 10×10 cm² substrat visade bladbestrukna NC-filmer mycket mer enhetlig optisk absorption än tunna termiskt förångade Au-filmer, vilket fullt ut demonstrerar den inneboende fördelen med lösningsbearbetade nanokristaller i skalbar tillverkning.

Optimering av tillverkning av stora perovskitfilmer

Med TRJ:s optiska förlust och instabilitet lösta blev enhetlig tillverkning av stora Pb-Sn-perovskitfilmer nästa tekniska hinder. Konventionella DMF/DMSO-lösningsmedelssystem har höga kokpunkter och långsam avdunstning, så deras nukleationskinetik släpar efter vid höghastighetsbladbestrykning, 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 nukleeringen. Med detta ökades bladbeläggningshastigheten för Pb-Sn-perovskit från 5 mm/s i det traditionella DMF-systemet ända upp till 30 mm/s, vilket gav mycket enhetlig fotoluminescensintensitet och utmärkt enhetskonsistens på 10×10 cm² och större substrat. Detta knäckte framgångsrikt kristallisationskinetikens utmaning för storarea-beläggning och uppnådde en preliminär effektivitetsvalidering på 17,5 % över en aperturyta på 65 cm².

Ytligandteknik och energinivåanpassning

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

Ytligandteknik för att justera energinivåer

Genom ligandutbyte användes MMES och MMPA för att modifiera ytan på In₂O₃ NCs. UV-fotoelektronspektroskopi (UPS) visade att MMPA-modifierade In₂O₃ NCs uppnår gynnsam gränssnittsbandböjning med målperovskitfilmen (uppåtböjning på cirka 50 meV), vilket signifikant främjar håluttag, medan OAm- eller MMES-modifiering orsakade nedåtböjning och en transportbarriär. Rymdladdningsbegränsad ström (SCLC)-tester uteslöt någon ligandinterferens på själva mobiliteten, vilket bekräftar att prestandavinsten främst kommer från optimerad energinivåanpassning.

Bulkdopning med fosfonsyra-baserat hålselektivt material (HSM)

Teamet dopade fosfonsyra-HSM som MeO-2PACz direkt i Pb-Sn-perovskitprekursorn (optimerad vid 0,2 mol%) istället för att begränsa dem till gränssnittsmodifiering. Denna bulkdopningsstrategi 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-typen försvagades, vilket bättre matchar energinivåerna hos In₂O₃ NCs. Den resulterande HTL-fria enkelkopplade Pb-Sn-cellen nådde 23 % effektivitet, medan en bladbelagd enhet som använde In₂O₃-MMPA NCs som håltransportskikt (HTL) uppnådde 24,0 % reverse-scan-effektivitet med en JSC så hög som 33,8 mA cm⁻².

HSM:s flera roller på perovskitfilmen

HSM:s roll går långt bortom laddningstransport — den påverkar djupt filmkristallisation och defektpassivering:

Kristallisationskontroll och defektreducering

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

Förbättrad bärardynamik

Transient absorptionsspektroskopi (TAS) visade att defektassisterad icke-strålande rekombination undertrycktes markant efter HSM-dopning. Steady-state PL-intensiteten ökade kraftigt, den genomsnittliga PL-livstiden 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 målmaterialets bärarrörlighet 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 hos stora moduler

Med utgångspunkt i dessa synergistiska strategier tillverkade teamet en all-perovskisk tandemmodul med en aperturyta på 65 cm² (14 delceller i serie). Championmodulen med Typ III (In₂O₃-MMPA) TRJ nådde 26,6% labbtestad verkningsgrad (reversibel 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%, vilket klart överträffade kontrollmodulen med konventionell Typ I TRJ (24,8%). Efter död-zon-optimering nådde den geometriska fyllnadsfaktorn 96,5%, vilket gav en ekvivalent aktiv-area-verkningsgrad 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 — vilket stämmer väl överens med J-V-resultaten och båda bryter den tidigare rapporterade flaskhalsen på under 15 mA cm⁻² för moduler.

När det gäller tillförlitlighet, enligt IEC 61215:2021-standarden, nådde den inkapslade typ III-modulen en T90-livslängd (behåller 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 85°C/85% RH fukt-värme-testet (ISOS-D-3) nådde typ III-modulen en genomsnittlig T84-livslängd på 1000 timmar, medan typ I-modulen redan hade fallit under 40% verkningsgrad; i temperaturcyklingstestet från -40°C till 85°C (ISOS-T-3) behöll typ III-modulen 93% av initial verkningsgrad efter 200 cykler. Alla accelererade åldringsexperiment bekräftade att den enastående stabiliteten hos typ III beror på att man helt eliminerat de instabilitetsfaktorer som utlöses av PEDOT:PSS.

Genom yttekniska In₂O₃ nanokristall-rekombinationsövergångar och synergistisk bulk/gränssnitts-HSM-teknik har detta arbete framgångsrikt uppnått en certifierad verkningsgrad på 26,2% för en helperovskit tandem-solmodul över en aperturyta på 65 cm², vilket ger omfattande genombrott i modulstorlek, verkningsgrad och driftsstabilitet. Arbetet visar starkt på kommersialiseringspotentialen för helperovskit tandem-fotovoltaisk teknik. Framöver, för att öka modularean bortom 800 cm², krävs synergistisk optimering av deponeringsprocesser såsom slot-die-beläggning tillsammans med metoder som vakuumassisterad kristallisation, för att säkerställa högkvalitativ, enhetlig tillverkning av stora bred- och smalbandgapssubceller.

Referens- och testutrustning

En komposit perovskit MPPT-testare som använder en A+AA+ klass LED-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 utmatningsegenskaperna hos perovskitceller lätt påverkas av miljöfaktorer som ljus och temperatur, fluktuerar maximal effektpunkt ofta. En MPPT-kontroller spårar och låser maximal effektpunkt i realtid, vilket säkerställer att systemet alltid arbetar med optimal effekt.

Referens: Nanokristall-skjäddad rekombination för helperovskit tandem-solmoduler

Ooitechs syn

Ooitech anser: yttekniska In₂O₃ nanokristall-rekombinationsövergångar i kombination med HSM bulk/gränssnittsteknik har drivit stora helperovskit tandemmoduler till en certifierad verkningsgrad på 26,2%, vilket för denna teknik ett avgörande steg närmare kommersialisering.