33,25% verkningsgrad, 96% MPPT-bibehållande efter 1000 timmar:

Snabbt svar: En perovskit-kiseltandemcell har uppnått 33,25 % verkningsgrad samtidigt som den behåller 96 % av sin maximala effektpunkt efter 1000 timmars testning. Den kombinationen är poängen: tandemverkningsgradsrekord är inte längre begränsningen, stabiliteten är det. Cellen staplar en perovskit-toppövergång över en kiselbottenövergång så att var och en absorberar den del av spektrumet som den omvandlar bäst, vilket är det som pressar verkningsgraden långt förbi det ungefärliga taket på 27 % för en enkelövergångs-kiselcell. Stabilitetsresultatet innefattade fukt-värmeexponering vid 85 °C, och mätningarna använde spektralområden runt 400 nm, 750 nm och 1150 nm. För modultillverkning ställer tandemceller snävare lamineringsfönster än enbart kisel, eftersom perovskitskiktet är känsligare för fukt och temperatur än kislet under det.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Produktintroduktion

Perovskit/kisel-tandemceller har redan nått 35 % verkningsgrad. Problemet är stabiliteten. Dessa enheter är fortfarande långt ifrån de 25 års livslängd som kommersialisering kräver, och grundorsaken ligger vid gränssnitten. Laddning byggs upp där, och den uppbyggnaden utlöser redoxreaktioner och jonmigration.

Den allmänt använda ALD-SnOx elektronöverföringsskiktet stöter på en tjockleksavvägning på grund av sin höga resistivitet. För tjockt, och serieresistansen stiger. För tunt, och det kan inte blockera sputter-skador eller jondiffusion. För att studera detta kan en perovskit-komposit MPPT-testare som använder en AAA-klassad LED solsimulator som åldringsljuskälla styra celltemperaturen på flera sätt och hantera den omgivande miljön, och köra långtidsstabilitetstester.

Detta arbete bygger ett SnOx/AZO dubbelskikt genom en all-ALD-process. Ett ultratunt SnOx behåller bandinriktningen, medan ett ledande AZO-skikt ger en lågresistiv väg och fungerar som en tät barriär. Det delar upp laddningsextraktion och fysisk blockering i två separata uppgifter. Enkelskikts bredbandsgap perovskitceller med denna struktur nådde 23,47 % verkningsgrad, och tandem-enheter nådde 33,25 %. Efter 1000 timmars kontinuerlig belysning behöll de fortfarande 96 % av sin initiala verkningsgrad, vilket stödjer gränssnittsstrategin.

Tekniska parametrar

Perovskit-komposit MPPT-testare specifikationer

Tekniska fördelar

ALD-tillverkning av bilager och elektrisk prestanda

Enkelkristalltester visade att SnOx presterar bäst vid 150 cykler. Att gå tjockare ökade serieresistansen och sänkte fyllnadsfaktorn. För att mildra resistivitetsbegränsningen lade författarna till ett ALD-tillverkat AZO-mellanlager. Två staplar jämfördes: 250-cyklers SnOx jämfört med 100-cyklers SnOx plus 400-cyklers AZO.

J-V-mätningar visade att SnOx/AZO-kombinationen lyfte enhetens prestanda. Energinivåanalys fann att konduktionsbandets minimum trappas ner från SnOx till AZO till IZO, vilket bildar en mer gynnsam trappstegsbandanpassning som sänker gränsytans extraktionsbarriär. c-AFM visade att SnOx/AZO och rent AZO leder mycket bättre än rent SnOx. KPFM visade en mer enhetlig ytpotential och lägre defektdensitet på SnOx/AZO-perovskitfilmen. Transient absorptionsspektroskopi bekräftade snabbare laddningsbärar extraktion med SnOx/AZO.

ALD-lager undertrycker nedbrytning

Efter 400 timmars åldring vid 85°C under belysning visade SnOx-proverna starkare blyjodidabsorption i UV-vis, metalliska Pb⁰-diffraktionstoppar i XRD, samt gränsytans hålrum och bulkförlust i tvärsnitts-SEM. I SnOx/AZO-proverna var dessa nedbrytningstecken mycket svagare. TOF-SIMS visade tung Ag-penetration i perovskitlagret och allvarlig I⁻-diffusion i SnOx-enheterna, medan SnOx/AZO-enheterna inte visade någon tydlig jondiffusion.

Efter 7 dagar vid 85% RH utvecklade den SnOx-täckta filmen en gul δ-fas, men SnOx/AZO förblev svart. PLQY-mätningar visade lägre icke-strålande rekombinationsförlust och högre PLQY-retention efter åldring för SnOx/AZO. KPFM visade ett stort hopp i ytdefektdensitet för det åldrade SnOx-provet, medan SnOx/AZO knappt förändrades.

Produkttillämpning

Enkelkristallcellens prestanda och stabilitet

I enkelkristallenheter med strukturen ITO / NiOx / Me-4PACz / perovskit / C60 / ALD-lager / Ag nådde SnOx/AZO-mästaren 23,47% verkningsgrad, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², med tydligt minskad hysteres. Den EQE-integrerade strömtätheten var 21,62 mA/cm², över SnOx-enhetens 20,92 mA/cm². Stabiliserad uteffekt var 23,12%. Urbach-energin kom in på 13,11 meV, under SnOx-enhetens 16,38 meV.

När det gäller stabilitet, efter 1100 timmars mörk åldring vid 85°C höll SnOx/AZO över 90% av sin initiala verkningsgrad, medan SnOx var nere på 85% vid 600 timmar. Under 85°C med belysning höll SnOx/AZO över 80% efter 300 timmar, medan SnOx sjönk under 60% efter 200 timmar. I MPPT-testning höll SnOx/AZO 96% efter 2000 timmar, medan SnOx föll till 80% efter 700 timmar.

Tandemcellens prestanda och stabilitet

ALD-dubbelskiktet integrerades i en perovskit/TOPCon kisel-tandem-enhet. HAADF-STEM visade ett kontinuerligt, tätt dubbelskikt med SnOx runt 10 nm och AZO runt 60 nm, inga pinhål eller delaminering. HR-TEM bekräftade att SnOx är amorft, och EDS visade jämn Zn-fördelning i AZO.

Den bästa tandem-enheten nådde 33,25 % verkningsgrad, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71 %, med nästan ingen hysteres. EQE visade fotoströmmar på 20,43 och 20,40 mA/cm² för topp- och bottencellerna, en bra matchning. Stabiliserad uteffekt var 32,38 %.

Efter 1000 timmars termisk åldring vid 85 °C höll SnOx/AZO över 90 % verkningsgrad, medan SnOx sjönk under 90 % inom 400 timmar. I fukt-värme-test (dubbel 85) höll SnOx/AZO över 92 % efter 400 timmar, medan SnOx sjönk under 80 % inom 200 timmar. Efter 1000 timmars kontinuerlig belysning höll SnOx/AZO över 96 %, medan SnOx sjönk under 80 % inom 300 timmar.

Mekanismssammanfattning

Fördelen med SnOx/AZO-dubbelskiktet handlar om två saker. Det ledande AZO-skiktet snabbar upp elektronextraktionen och minskar laddningsuppbyggnaden vid gränsytan, vilket undertrycker den reaktionsdrivna gränsytnedbrytningen. Samtidigt fungerar det täta dubbelskiktet som en effektiv barriär mot joner och fukt, vilket håller tillbaka jodidinducerad silverskorrosion och Ag⁺-migration in i perovskiten. Snabbare elektronextraktion i kombination med fysisk jonblockering ger en "funktionell avkoppling"-mekanism, så att de två effekterna tillsammans förstärker enhetens hållbarhet.

Denna studie använder ett all-ALD SnOx/AZO-dubbelskikt för att undertrycka gränsytreaktionsdriven nedbrytning i perovskit/kisel-tandemceller. Dubbelskiktet kombinerar SnOx goda bandanpassning med AZO höga konduktivitet och täta barriärfunktion, vilket minskar laddningsackumulering och håller tillbaka jondiffusion och fuktinträngning. Enkeljonsceller nådde 23,47 % verkningsgrad, tandemceller 33,25 %, och båda höll över 96 % av initial verkningsgrad efter 1000 timmars MPPT. Det visar hur central gränsyteteknik är för att bygga högpresterande, stabila perovskit/kisel-tandem solceller, och pekar på en verklig väg mot celler som är både effektiva och hållbara.

Perovskit-kompositens MPPT-testare, byggd kring en A+AA+ LED-solsimulator som åldringsljuskälla, ger starkt stöd till perovskit-solcellsforskning. Eftersom perovskitceller är så känsliga för ljus och temperatur, skiftar deras maximala effektpunkt ständigt. MPPT-kontrollern spårar och låser fast den punkten i realtid, så att systemet alltid levererar sin bästa effekt. Det maximerar energiutbytet och förbättrar stabiliteten och ekonomin i hela PV-systemet.

Referens: Undertryckande av gränssnittsreaktioner i Perovskit/Kisel-tandemsolceller via ett all-ALD SnOx/AZO-bilager

Ooitechs syn

Det som utmärker sig här är idén om "funktionell avkoppling", där ett tunt lager hanterar bandanpassning och ett annat hanterar blockering, istället för att tvinga en enda SnOx-film att göra båda jobben och förlora på en av dem. På produktionssidan är ALD-stapelns enhetlighet över en fullstor modul precis där linjekontroll och mätteknik spelar roll, och det är den typen av processdetaljer vi ägnar oss åt när vi bygger modullinjer. Om du vill se mer om hur perovskite- och tandemmodultillverkning faktiskt går ihop på fabriksgolvet, är Ooitech YouTube-kanal (www.youtube.com/ooitech) värd att följa.