Perovskit/kisel tandemceller: 8nm ITO-mellanlager uppnår 31,80% verkningsgrad
Innehållsförteckning
Produktintroduktion
Monolitiska perovskit/kisel-tandemsolceller är en av de tydligaste vägarna förbi effektivitetstaket för enkelskiktsenheter. Toppcellen och bottencellen är seriekopplade genom ett rekombinations-interconnectlager, 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 rekombinationslagret av optisk parasitära förluster medan det självmonterande monolagret (SAM) aldrig sprids jämnt. Med tiden drar detta ner enhetens prestanda.
Denna studie mätte indiumtennoxid (ITO) interconnectlager från 2 till 30 nm tjocklek och fann att ett ultratunt 8 nm lager fungerar bäst på två fronter samtidigt: minskad optisk förlust och förbättrad ytpotentialjämnhet. När NiOx-modifiering och Poly-SAM-funktionalisering staplades ovanpå, ökade kortslutningsströmstätheten med 0,85 mA cm⁻² till 20,82 mA cm⁻², effektomvandlingseffektiviteten nådde 31,80 %, och efter 500 timmars maximal effektpunktsspårning behöll enheten fortfarande 96 % av sin initiala effektivitet.
Experimentell metod
SHJ-bottencellen använde n-typ kiselskivor, 110 ± 10 µm tjocka, KOH-dubbelsidig texturerad till pyramider cirka 600 nm höga. Efter RCA-rengöring deponerade PECVD passiverings- och dopade lager i sekvens: 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 avdunstades på baksidan. På framsidan deponerades sex ITO-interconnecttjocklekar separat: 2, 5, 8, 10, 20 och 30 nm, glödgade vid 180°C och laserskurna.
Perovskit-topcellen följde denna väg. Bottencellen glödgades och UV-ozonbehandlades först, därefter deponerades NiOx med magnetronsputtring, följt av ytterligare en glödgning och ett 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, Ag-elektroder avdunstades, och slutligen täcktes stacken med en MgF₂-antireflexfilm.
Tekniska fördelar
Optoelektroniska egenskaper hos ITO-mellanlager
(a) Rsh, Ne och µ mot tjocklek (n = 10); (b) optisk absorptans och reflektans hos 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 över 2–30 nm mellanlager-ITO; (g) KPFM-ytpotentialkartor över 8 nm mellanlager-ITO före och efter funktionalisering med NiOx och Poly-SAM.
Hall-effektmätningar visade att skiktresistansen sjönk när filmtjockleken ökade, vilket är vad man kan förvänta sig. Laddningsbärarkoncentrationen höll sig ganska jämn mellan 8 och 30 nm, runt 2,8 till 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, men när man går under 8 nm börjar den avta. Rörligheten sjönk endast något inom det smala fönstret 2 till 8 nm, ett tecken på att filmens integritet fortfarande var intakt. 8 nm hamnar precis i sweet spot där skiktresistansen är tillräckligt låg och den elektriska prestandan inte har kollapsat.
(a) Toppanpassat O 1s högupplöst XPS-spektrum av ITO-skiktet på den texturerade c-Si-bottencellens yta. (b) Högupplösta XPS-spektra av 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 när ITO tunnades ut över 450 nm, tack vare destruktiv interferens plus svagare fria-bärare-absorption.
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 jämnhet.
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 modifieringen försvann In-signalen helt, vilket tyder på att täckskiktets 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 tandemcellen
(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-interkonnekt-tjocklekar genomgick J-V-testning.
Under 5 nm sjönk Voc och FF kraftigt. Voc kunde inte pressas över 1,7 V och PCE landade på bara 21,68 %, främst för att filmen redan var diskontinuerlig på pyramidtexturen.
8 nm var det bästa svaret. Tvärsnitts-SEM visade större och tätare perovskitkorn 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 steg hela vägen från 30 nm ner till 8 nm, för att sedan sjunka igen, så 8 nm låg precis vid toppen, vilket matchade den lägsta defektdensiteten.
Det normaliserade PL-karakteristiska toppvärdet 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 den starkare nettodipolen och den mer enhetliga arbetsfunktionen som Poly-SAM ger, vilket lyfter både Voc och FF. PL-avbildning avslöjade också sub-mikrometer-ojämnhet inuti perovskit-delcellen, men det ultratunna högresistiva ITO-skiktet har hög lateral resistivitet, så räckvidden för lokal shuntning var effektivt innesluten och drog aldrig ner hela enheten.
Förbättring av strömtäthet
(a) EQE-kurvor för perovskite- och kisel-delcellerna under det 8 nm tjocka ITO-mellanlagret; (b) EQE-kurvor för de initiala och optimerade tandemcellerna.
Det främre IZO-skiktet bedömdes med hjälp av kvalitetsfaktorn Aw × Rsheet⁻¹, och 45 nm visade sig vara bäst. Att tunna ut ITO-mellanlagret 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 perovskite- och kisel-delcellerna var 20,64 respektive 20,51 mA cm⁻², i linje med J-V-data. Jämfört med 20 nm ITO gav 8 nm perovskite-delcellen extra 0,06 mA cm⁻² och kisel-delcellen extra 0,47, där det nära-infraröda bidraget från kiselbottencellen ökade mest.
Produkttillämpning
Enhetsprestanda och stabilitet
(a) Schematisk struktur och fotografi av perovskite/kisel-tandemsolcellen; (b) tvärsnitts-SEM-bild av tandemcellen; (c) J-V-kurvor för enkeljons-perovskite- och kisel-delcellerna; (d) representativ J-V-kurva för den högpresterande cellen; (e) variation av Rs i perovskite/kisel-tandemceller byggda på 30 nm till 2 nm ITO-mellanlager; (f) MPPT-testresultat för den inkapslade tandemcellen under 1-solsbelysning.
När ITO-mellanlagrets tjocklek var injusterad steg den genomsnittliga PCE för tandem-enheterna från 28,64% till 30,67%. Det 2 nm tjocka ITO:t hade en serieresistans Rs så hög som 41,26 Ω, så seriekopplingen var i princip bruten. Rs vid 8 nm var mycket lägre, den interna impedansen minskade och spänningsförlusten nära maximala effektpunkten krympte. När det gäller stabilitet behöll tandemcellen med 8 nm ITO 96% av sin initiala PCE efter 500 timmars MPPT, medan den med 20 nm bara behöll 90%, vilket placerar den bland de mest stabila i TCO/SAM-mellanlagsfamiljen. Varför så stabil? Poly-SAM-täckningen är hög, och perovskite-kristalliseringen förbättras i takt med den.
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 templateffekt, nukleationen går snabbt och oordnat, och kornen blir små med gott om korngränser. Dessutom passiverar Poly-SAM de omättade bindningarna och halogenvakanserna vid gränsytan, halogenmigrationen undertrycks och nedbrytningen saktar ner. Den enhetliga ytpotentialen som ultratunn ITO i sig själv bidrar med hjälper också, och med flera faktorer som staplas ökar enhetens livslängd.
MPPT-stabilitetstestet här förlitar sig på en LED-solsimulator av klass 3A+ som åldringsljuskälla, vilken kan kontrollera celltemperaturen och den omgivande atmosfären på flera sätt för att genomföra långtidsstabilitetstester.
Slutsats och framtidsutsikter
8 nm är den optimala ITO-anslutningstjockleken för tandemceller av perovskit/kisel. Denna tjocklek både höjer perovskitens kristallkvalitet och håller nere parasitisk absorption. Efter NiOx-modifiering och Poly-SAM-funktionalisering blir ytpotentialen mer enhetlig och arbetsfunktionsförskjutningen mer uttalad. Den 8 nm tjocka ITO-ytan bär fler hydroxylgrupper, NiOx sprids jämnt, SAM packas tätt, och den konforma täckningen över texturen verifierades med SEM och EDS. Jämfört med den konventionella 20 nm ITO nådde den optimerade enheten en rekordverkningsgrad på 31,80 %, med Jsc upp med 0,85 mA cm⁻² och 96 % av den initiala verkningsgraden 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 säkra strömmatchningen. FF och Voc förblir flaskhalsar som begränsar den totala verkningsgraden, så kontaktpassiveringsstrategier måste fördjupas. 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 över stora ytor och den laterala ledningen inte lider. Och med ett tunnare lager minskar indiumanvändningen, så hållbarheten gynnas också.
Ooitechs syn
Det som utmärker sig här är att några nanometer ITO kan påverka både optik och kristallisation på den 600 nm pyramidstrukturen, och samma problem med konform täckning är exakt det som dyker upp när tandemlinjer går från labbprover till fullstora moduler. På produktionsgolvet måste tabber-stringer, uppläggning och lamineringssteg alla respektera dessa känsliga interkonekt- och SAM-gränssnitt, vilket är där enhetlig, välinställd modullinjeutrustning gör sitt jobb. Om du vill se hur dessa processer ser ut i verklig fabriksskala, är Ooitech YouTube-kanalen på www.youtube.com/ooitech värd att följa.
