Produktintroduktion

Monolitiska perovskit/kisel tandem-solceller är en av de tydligaste vägarna förbi verkningsgradstaket för enkelskiktsenheter. Toppcellen och bottencellen är seriekopplade genom ett rekombinationsanslutningsskikt, och hur bra det gränssnittet är avgör om laddningsbärare kan transporteras och rekombineras smidigt. Problemet sitter på den mikropyramidtexturerade ytan av kisel-heterojunction (SHJ) bottencellen. Pyramiderna är cirka 600 nm höga, och på den terrängen lider rekombinationsskiktet av optisk parasitära förluster medan det självmonolagerade skiktet (SAM) aldrig sprids jämnt. Med tiden drar detta ner enhetens prestanda.

Detta arbete mätte indiumtennoxid (ITO) anslutningsskikt från 2 till 30 nm tjocka och fann att ett ultratunt 8 nm-skikt fungerar bäst på två fronter samtidigt: minskad optisk förlust och förbättrad ytpotentialuniformitet. När NiOx-modifiering och Poly-SAM-funktionalisering lades ovanpå, ökade kortslutningsströmstätheten med 0,85 mA cm⁻² till 20,82 mA cm⁻², effektomvandlingsverkningsgraden nådde 31,80 %, och efter 500 timmars maximal effektpunktsspårning behöll enheten fortfarande 96 % av sin initiala verkningsgrad.

Experimentell metod

SHJ-bottencellen använde n-typ kiselwafers, 110 ± 10 µm tjocka, KOH dubbelsidig texturerad till pyramider cirka 600 nm höga. Efter RCA-rengöring deponerade PECVD passiverings- och dopningsskikt i följd: framsidan fick 8 nm intrinsiskt a-Si:H(i) plus 15 nm n-typ nc-SiOx:H(n), baksidan fick 8 nm p-typ a-Si:H(p), sedan sputtrades 110 nm ITO och 700 nm Ag evaporerades på baksidan. På framsidan deponerades sex ITO-anslutningstjocklekar separat: 2, 5, 8, 10, 20 och 30 nm, glödgade vid 180°C och laserskurna.

Perovskitens toppcell följde denna väg. Bottencellen glödgades och UV-ozonbehandlades först, därefter deponerades NiOx med magnetronsputtring, följt av ytterligare en glödgning och UV-ozonsteg. Inuti en kvävehandskbox spinbelades Poly-SAM (0,5 mg mL⁻¹, lösningsmedel metanol och klorbensen i förhållandet 1:1) och glödgades vid 100°C. Perovskiten var Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ med ett bandgap på 1,68 eV, spinbelagd i två steg, med klorbensen droppad som antilösningsmedel under höghastighetssteget och bakad vid 100°C i 20 minuter. Ytan justerades med PDADI, därefter avdunstades C₆₀ termiskt, SnO₂ odlades med ALD, 45 nm IZO sputtrades, Agelektroder avdunstades, och slutligen täcktes stapeln med en MgF₂-antireflexfilm.

Tekniska fördelar

Optoelektroniska egenskaper hos ITO-anslutningsskiktet

(a) Rsh, Ne och µ mot tjocklek (n = 10); (b) optisk absorptans och reflektans för ITO-skiktet; (c) arbetsfunktion mot tjocklek; (d) arbetsfunktionsförskjutning (ΔWF) före och efter NiOx-behandling vid olika tjocklekar; (e) schematisk bild av SAM-fördelning på NiOx-modifierad ITO; (f) KPFM-ytpotentialkartor för 2–30 nm anslutnings-ITO; (g) KPFM-ytpotentialkartor för 8 nm anslutnings-ITO före och efter NiOx- och Poly-SAM-funktionalisering.

Hall-effektmätningar visade att skikttåligheten minskade när filmtjockleken ökade, vilket är vad man kan förvänta sig. Laddningsbärarkoncentrationen höll sig ganska stabil mellan 8 och 30 nm, runt 2,8 till 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, men när man går under 8 nm börjar den sjunka. Rörligheten minskade endast något över det smala fönstret 2 till 8 nm, ett tecken på att filmens integritet fortfarande var intakt. 8 nm hamnar precis i sweet spot där skikttåligheten är tillräckligt låg och den elektriska prestandan inte har kollapsat.

(a) Toppanpassat O 1s högupplöst XPS-spektrum för ITO-skiktet på den texturerade c-Si-bottencellytan. (b) Högupplösta XPS-spektra för 8 nm ITO-skiktet på den texturerade c-Si-bottencellen före och efter NiOx-modifiering. (c) Tvärsnitts-SEM-bild av 8 nm ITO-skiktet på den texturerade c-Si-bottencellen. (d) Motsvarande EDS-elementkartor över det fokuserade området av 8 nm ITO-provet, med färg-elementförklaringen i det övre högra hörnet.

Optiskt sett minskade både reflektans och absorptans ovanför 450 nm när ITO tunnades ut, tack vare destruktiv interferens plus svagare fri bärarabsorption.

• UPS visade att arbetsfunktionen ökade när tjockleken minskade, och efter NiOx-modifiering och glödgning nådde arbetsfunktionstoppen vid 8 nm.

• KPFM-områdesskanningar visade att sub-10 nm ITO undertryckte alla lokala shuntpunkter, med 8 nm som gav bästa enhetlighet.

• XPS avslöjade en intressant detalj: 8 nm ITO-ytan hade högre hydroxyltäthet än 20 nm-ytan, och dessa hydroxylgrupper bildade In─O─Ni-bryggbindningar med NiOx, vilket gjorde att NiOx spreds jämnare och fäste starkare. Efter modifiering försvann In-signalen helt, vilket innebär att täckningsskiktets kvalitet var utmärkt och lade en god grund för den efterföljande SAM-självmonteringen.

• SEM och EDS bekräftade också att 8 nm ITO gav konform täckning över texturen.

Fotovoltaisk prestanda för tandemcell

(a) Variation av Jsc i perovskit/kisel-tandemceller; (b) variation av Voc; (c) variation av FF; (d) variation av PCE; (e) tvärsnitts-SEM-bild av tandemcellen på ITO; (f) XRD-mönster av perovskitfilmen på ITO; (g) steady-state PL-spektrum av perovskitfilmen på ITO; (h) normaliserade steady-state PL-kurvor; (i) transienta TRPL-sönderfallsspektra av perovskitfilmen på ITO; (j) fotoluminescensbild av tandemcellen, aktiv area 0,928 cm².

Alla sex ITO-interconnect-tjocklekar genomgick J-V-testning.

• Under 5 nm sjönk Voc och FF kraftigt. Voc kunde inte pressas över 1,7 V och PCE blev bara 21,68 %, främst för att filmen redan var diskontinuerlig på pyramidtexturen.

• 8 nm var det bästa svaret. Tvärsnitts-SEM visade att perovskitkornen var större och tätare på den ultratunna ITO:n (under 10 nm), och XRD bekräftade bättre kristallkvalitet, även om 5 nm-provet uppvisade en PbI₂-topp, ett tecken på att nedbrytning redan hade börjat. Steady-state PL-intensiteten ökade hela vägen från 30 nm ner till 8 nm, för att sedan minska igen, så 8 nm låg precis vid toppen, vilket matchade den lägsta defekttätheten.

• Den normaliserade PL-karakteristiska toppen skiftade inte, vilket innebär att naturen av icke-strålande rekombination vid gränsytan förblev densamma. TRPL-bärarlivslängderna var också längst vid 8 nm. Dessa resultat kan spåras tillbaka till det starkare nettodipolen och den mer enhetliga arbetsfunktionen som Poly-SAM ger, vilket lyfter Voc och FF tillsammans. PL-avbildning avslöjade också sub-mikrometer-oenhetlighet inuti perovskit-subcellen, men det ultratunna högresistiva ITO-skiktet har hög lateral resistivitet, så räckvidden för lokal shuntning begränsades effektivt och drog aldrig ner hela enheten.

Förbättring av strömtäthet

(a) EQE-kurvor för perovskit- och kisel-subcellerna under 8 nm ITO-interconnect-skiktet; (b) EQE-kurvor för de initiala och optimerade tandemcellerna.

Det främre IZO-skiktet utvärderades med figure of merit Aw × Rsheet⁻¹, och 45 nm visade sig bäst. Att tunna ut interconnect-ITO från 20 nm till 10 nm till 8 nm ökade den genomsnittliga Jsc från 19,78 till 19,96 till 20,55 mA cm⁻². De EQE-integrerade strömtätheterna för perovskit- och kisel-subcellerna var 20,64 respektive 20,51 mA cm⁻², i linje med J-V-data. Jämfört med 20 nm ITO gav 8 nm perovskit-subcellen extra 0,06 mA cm⁻² och kisel-subcellen extra 0,47, där det nära-infraröda bidraget från kisel-bottencellen ökade mest.

Produkttillämpning

Enhetsprestanda och stabilitet

(a) Schematisk struktur och fotografi av perovskit/kisel-tandemsolcellen; (b) tvärsnitts-SEM-bild av tandemcellen; (c) J-V-kurvor för enkelcells perovskit- och kisel-subceller; (d) representativ J-V-kurva för högprestandacellen; (e) variation av Rs i perovskit/kisel-tandemceller byggda på 30 nm till 2 nm ITO-interconnect-skikt; (f) MPPT-testresultat för den inkapslade tandemcellen under 1-solbelysning.

När ITO-interconnect-tjockleken var inställd, ökade den genomsnittliga PCE för tandem-enheterna från 28,64% till 30,67%. 2 nm ITO hade en serieresistans Rs så hög som 41,26 Ω, så seriekopplingen var i princip bruten. 8 nm Rs var mycket lägre, intern impedans minskade och spänningsförlusten nära maximal effektpunkt krympte. När det gäller stabilitet behöll 8 nm ITO-tandemcellen 96% av sin initiala PCE efter 500 timmars MPPT, medan 20 nm-cellen endast behöll 90%, vilket placerar den bland de mest stabila i TCO/SAM-interconnect-familjen. Varför så stabil? Poly-SAM-täckningen är hög, och perovskitkristallisationen förbättras i takt med detta.

Regioner som täcks av SAM har låg ytenergi, och fosfonsyragrupperna koordinerar med Pb²⁺ och FA⁺, vilket styr perovskiten att växa långsamt och på ett ordnat sätt, så att kornen blir stora. På bara ITO-regioner finns ingen sådan mall-effekt, kärnbildningen går snabbt och oordnat, och kornen blir små med många korngränser. Dessutom passiverar Poly-SAM de omättade bindningarna och halogenvakanserna vid gränsytan, halogenmigrationen undertrycks och nedbrytningen saktar ner. Den enhetliga ytpotentialen som ultratunn ITO själv bidrar med hjälper också, och med flera faktorer som samverkar ökar enhetens livslängd.

MPPT-stabilitetstestningen här förlitar sig på en LED-solsimulator av 3A+-klass som åldringsljuskälla, vilken kan kontrollera celltemperatur och omgivande atmosfär på flera sätt för att utföra långtidsstabilitetstestning.

Slutsats och framtidsutsikter

8 nm är den optimala ITO-anslutningstjockleken för perovskit/kisel-tandemceller. Denna tjocklek både förbättrar perovskitens kristallkvalitet och håller nere parasitisk absorption. Efter NiOx-modifiering och Poly-SAM-funktionalisering blir ytpotentialen mer enhetlig och arbetsfunktionsförskjutningen mer uttalad. 8 nm ITO-ytan bär fler hydroxylgrupper, NiOx sprids jämnt, SAM packas tätt, och den konforma täckningen över texturen verifierades med SEM och EDS. Jämfört med konventionell 20 nm ITO nådde den optimerade enheten en rekordverkningsgrad på 31,80%, med Jsc upp med 0,85 mA cm⁻² och 96% av initial verkningsgrad bibehållen efter 500 timmars MPPT.

Framöver finns det fortfarande mycket att förbättra. Baktexturen och den optiska reflektorn kan förfinas ytterligare för att stärka ljusinfångningen i kislets bottencell, höja dess ström och uppnå strömmatchning. FF och Voc förblir flaskhalsar som begränsar den totala verkningsgraden, så kontaktpassiveringsstrategier måste gå djupare. Alternativa anslutningsarkitekturer som kiselbaserade tunnelövergångar är också värda att prova. När det gäller uppskalning till produktion måste TCO-tjocklek och metalliseringsrutnätsdesign justeras tillsammans, så att skuggningen inte blir för tung och den laterala ledningsförmågan inte lider över stora ytor. Och med ett tunnare lager minskar indiumanvändningen, vilket också gynnar hållbarheten.

Ooitechs syn

Det som är anmärkningsvärt här är att några nanometer ITO kan påverka både optik och kristallisation på den 600 nm pyramidtexturen, och samma problem med konform täckning uppstår när tandemlinjer går från labbprover till fullstora moduler. I produktionen måste tabber-stringer, layup och lamineringsstegen alla respektera dessa känsliga interconnect- och SAM-gränssnitt, vilket är där enhetlig, välinställd modullinjeutrustning gör nytta. Om du vill se hur dessa processer ser ut i verklig fabriksskala, finns Ooitech YouTube-kanal på www.youtube.com/ooitech är värd att följa.