Giriş

Tam perovskit tandem güneş modülleri, yüksek verimlilik ve düşük maliyet potansiyeli sayesinde yeni nesil fotovoltaik teknoloji için güçlü bir aday olarak kabul edilmektedir. Ancak geniş alan ticarileşmesi ciddi şekilde engellenmiştir. Küçük alanlı cihazlar %30 verimliliği aşmış olsa da, geniş alanlı modüller (≥20 cm²) uzun süredir %24.5 civarında takılı kalmıştır. Bunun başlıca nedenleri, geleneksel altın bazlı tünel rekombinasyon bağlantılarındaki (TRJ) Au/PEDOT:PSS yapısının güçlü yakın kızılötesi parazitik absorpsiyonu ve arayüz termal kararsızlığı ile bıçak kaplama sırasında düzgün olmayan kristalleşmeden kaynaklanan geniş alanlı Pb-Sn perovskit filmlerde bozulmuş yük taşınımıdır.

Bu çalışma, yüzey mühendisliği yapılmış In₂O₃ nanokristaller üzerine inşa edilmiş çözelti işlemeli bir TRJ geliştirmektedir. Nanokristal morfolojisi ve yüzey kimyasını ayarlayarak ekip, yüksek optik şeffaflık, pürüzsüz arayüzler ve ideal enerji seviyesi hizalaması elde etti. Aynı zamanda, Pb-Sn perovskit öncüsüne fosfonik asit tipi katkı maddeleri eklenerek In₂O₃ rekombinasyon katmanı ile elektronik temas iyileştirildi, delik ekstraksiyonu artırıldı ve geniş alanlı filmlerdeki kalıntı gerilimi azaltmak için kristalleşme kinetiği ayarlandı. Bu birleşik strateji, bağlantıdaki taşıyıcı rekombinasyon verimliliğini, yük ekstraksiyonunu ve geniş alan film homojenliğini aynı anda artırarak 65 cm² açıklık alanı üzerinde JET sertifikalı %26.2 verimlilik (VOC = 2.182 V, FF = %77.4, JSC = 15.6 mA cm⁻²) sağladı - tam perovskit tandem fotovoltaiklerin ölçeklendirilmesi yolunda önemli bir kilometre taşı.

Yeni TRJ'nin Tasarımı ve Avantajları

Çalışma, çözelti işlemeli bir alternatif önermektedir: yüzey mühendisliği yapılmış indiyum oksit nanokristallerinden (In₂O₃ NC'ler) oluşturulan yeni bir TRJ (Tip III). Bu yapı, geleneksel Au/PEDOT:PSS Tip I yapısı ve ticari ITO nanokristallerine dayalı Tip II yapısı ile sistematik olarak karşılaştırılmaktadır.

Yapı ve arayüz özellikleri

Kendi sentezlenen In₂O₃ NC'ler, ticari ITO NC'lerden çok daha küçük parçacık boyutuna sahiptir, daha pürüzsüz bir gömülü arayüz oluşturur ve temas kusur yoğunluğunu etkili bir şekilde azaltır. Elektriksel testler, Tip III yapısının ideal omik temas davranışı sergilediğini ve hiçbir yük taşıma bariyeri olmadığını göstermektedir.

Optik ve termal kararlılık

Optik karakterizasyon, Tip I'deki PEDOT:PSS'nin ciddi parazitik absorpsiyon kaybına neden olduğunu, In₂O₃ NC filminin ise yüksek optik şeffaflığa sahip olduğunu göstermektedir. 85°C hızlandırılmış termal yaşlandırma altında, Tip I modül verimliliği 50 saat içinde başlangıç değerinin yarısına düşerken, NC tabanlı Tip II ve Tip III, 200 saat sonra başlangıç verimliliğinin yaklaşık %75'ini korumuştur. 10×10 cm²'lik bir alt tabaka üzerinde, bıçakla kaplanmış NC filmler, ince termal olarak buharlaştırılmış Au filmlerden çok daha homojen optik absorpsiyon göstermiş ve çözelti işlemeli nanokristallerin ölçeklenebilir üretimdeki doğal avantajını tam olarak ortaya koymuştur.

Geniş Alanlı Perovskit Film Üretiminin Optimize Edilmesi

TRJ'nin optik kaybı ve kararsızlığı çözüldüğünde, geniş alanlı Pb-Sn perovskit filmlerin homojen üretimi bir sonraki teknik engel haline geldi. Geleneksel DMF/DMSO çözücü sistemleri yüksek kaynama noktalarına ve yavaş uçuculuğa sahiptir, bu nedenle yüksek hızlı bıçak kaplama sırasında çekirdeklenme kinetikleri geride kalır ve büyük alt tabakalar üzerinde homojen filmler oluşturmayı zorlaştırır.

Bunu çözmek için ekip, 2-metoksietanol (2-Me) ve tetrahidrofuran (THF) bazlı bir ikili çözücü sistemi geliştirdi. Düşük kaynama noktası ve yüksek buhar basıncı ile bu sistem hızla kritik aşırı doygunluğa ulaşır ve çekirdeklenmeyi belirgin şekilde hızlandırır. Bunu kullanarak, Pb-Sn perovskit bıçak kaplama hızı geleneksel DMF sistemindeki 5 mm/s'den 30 mm/s'ye yükseltilmiş, 10×10 cm² ve daha büyük alt tabakalar üzerinde yüksek derecede homojen fotolüminesans (PL) yoğunluğu ve mükemmel cihaz tutarlılığı sağlanmıştır. Bu, geniş alan kaplamanın kristalleşme kinetiği zorluğunu başarıyla çözmüş ve 65 cm² açıklık alanı üzerinde %17,5'lik bir ön verimlilik doğrulaması elde etmiştir.

Yüzey Ligand Mühendisliği ve Enerji Seviyesi Eşleştirme

PEDOT:PSS çıkarıldıktan sonra optik kayıplar azaldı, ancak açık devre voltajı (VOC) ve doluluk faktörü (FF), perovskit ile NC katmanı arasındaki artan arayüz taşıma bariyerleri ve radyatif olmayan rekombinasyon nedeniyle düştü. Bunu ele almak için çalışma, ikili bir sinerjik optimizasyon stratejisi uyguladı:

Enerji seviyelerini ayarlamak için yüzey ligand mühendisliği

Ligand değişimi yoluyla, In₂O₃ NC'lerin yüzeyini modifiye etmek için MMES ve MMPA kullanıldı. UV fotoelektron spektroskopisi (UPS), MMPA ile modifiye edilmiş In₂O₃ NC'lerin hedef perovskit film ile uygun arayüz bant bükülmesi (yaklaşık 50 meV yukarı bükülme) elde ettiğini ve delik çıkışını önemli ölçüde teşvik ettiğini, OAm veya MMES modifikasyonunun ise aşağı bükülmeye ve bir taşıma bariyerine neden olduğunu gösterdi. Uzay yükü sınırlı akım (SCLC) testleri, ligandların hareketlilik üzerinde herhangi bir müdahalesini dışlayarak performans kazancının esas olarak optimize edilmiş enerji seviyesi hizalamasından kaynaklandığını doğruladı.

Fosfonik asit delik seçici malzeme (HSM) ile toplu katkılama

Ekip, fosfonik asit HSM'leri (MeO-2PACz gibi) arayüz modifikasyonuyla sınırlamak yerine doğrudan Pb-Sn perovskit öncüsüne (optimize edilmiş %0.2 mol) katkıladı. Bu toplu katkılama stratejisi, geniş alanlarda düzensiz SAM kaplama sorununu önler. UPS, HSM katkılamasından sonra perovskit iş fonksiyonunun 5.04 eV'den 4.81 eV'ye kaydığını, değerlik bandı maksimumunun yükseldiğini ve n-tipi karakterin zayıfladığını, In₂O₃ NC'lerin enerji seviyeleriyle daha iyi eşleştiğini gösterdi. Ortaya çıkan HTL'siz tek eklemli Pb-Sn hücresi %23 verime ulaşırken, In₂O₃-MMPA NC'leri delik taşıma katmanı (HTL) olarak kullanan bir bıçakla kaplanmış cihaz, 33.8 mA cm⁻² gibi yüksek bir JSC ile %24.0 ters tarama verimi elde etti.

HSM'nin Perovskit Film Üzerindeki Çoklu Rolleri

HSM'nin rolü yük taşımanın çok ötesine geçer - film kristalleşmesini ve kusur pasivasyonunu derinden etkiler:

Kristalleşme kontrolü ve kusur bastırma

Taramalı elektron mikroskobu (SEM), HSM katkılamasından sonra Pb-Sn filminde tane sınırlarını kesen dendritik safsızlıkların kaybolduğunu, tane boyutunun belirgin şekilde arttığını ve tane sınırlarının 'kaynaşmış' bir görünüm aldığını gösterdi. GIWAXS ve XRD, HSM'nin PbI₂ safsızlık fazı oluşumunu etkili bir şekilde bastırdığını doğruladı. Sıvı faz ¹H NMR ayrıca HSM'nin tercihli deprotonasyon yoluyla serbest asidik fosfonik grupları tükettiğini, böylece FA⁺ katyonlarının asidik deprotonasyonunu önlediğini ve öncü kimyasını stabilize ettiğini ortaya koydu.

İyileştirilmiş taşıyıcı dinamiği

Geçici absorpsiyon spektroskopisi (TAS), HSM katkılamasından sonra kusur destekli ışımasız rekombinasyonun belirgin şekilde bastırıldığını gösterdi. Kararlı durum PL şiddeti keskin bir şekilde arttı, ortalama PL ömrü 1042 ns'den 1889 ns'ye uzadı ve özellikle alt arayüzde güçlü pasivasyon sağlanarak gömülü arayüzdeki yük hapsolması etkili bir şekilde azaltıldı. OPTP spektroskopisi, hedef filmin taşıyıcı hareketliliğinin 20 cm² V⁻¹ s⁻¹'den 36 cm² V⁻¹ s⁻¹'ye yükseldiğini ve difüzyon uzunluğunun 2.65 μm'den 4.78 μm'ye çıktığını göstererek, toplu film kalitesinde her yönlü bir iyileşmeyi doğruladı.

Büyük Alanlı Modül Performansı ve Kararlılığı

Bu sinerjik stratejiler üzerine inşa edilen ekip, 65 cm² açıklık alanına (seri bağlı 14 alt hücre) sahip tam perovskit tandem modül üretti. Tip III (In₂O₃-MMPA) TRJ kullanan şampiyon modül, %26.6 laboratuvar test verimliliğine (ters tarama) ulaştı; VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻² ve FF %78.2 olarak ölçüldü. JET onaylı stabilize verimliliği %26.2'ye ulaşarak, geleneksel Tip I TRJ kullanan kontrol modülünü (%24.8) açıkça geride bıraktı. Ölü bölge optimizasyonundan sonra geometrik doldurma faktörü %96.5'e ulaştı ve eşdeğer aktif alan verimliliği %27.6 gibi yüksek bir değere çıktı. EQE uzaysal haritalaması, 16 farklı konumda üst ve alt alt hücrelerin entegre akım yoğunluklarının sırasıyla ortalama 16.3 ve 16.2 mA cm⁻² olduğunu gösterdi; bu değerler J-V sonuçlarıyla yakından eşleşti ve daha önce rapor edilen 15 mA cm⁻² altı modül darboğazını kırdı.

Güvenilirlik açısından, IEC 61215:2021 standardına göre, kapsüllenmiş Tip III modül, sürekli 1-güneş MPP takibi altında 771 saatlik T90 ömrüne (başlangıç verimliliğinin %90'ını koruma) ulaştı ve 1000 saat sonra hala %82.5 verimliliğini korudu. Zorlu 85°C/%85 bağıl nem sıcak-nem testinde (ISOS-D-3), Tip III modül ortalama 1000 saatlik T84 ömrüne ulaşırken, Tip I modül %40 verimliliğin altına düştü; -40°C ila 85°C termal çevrim testinde (ISOS-T-3), Tip III modül 200 çevrimden sonra başlangıç verimliliğinin %93'ünü korudu. Tüm hızlandırılmış yaşlandırma deneyleri, Tip III'ün üstün kararlılığının, PEDOT:PSS tarafından tetiklenen kararsızlık faktörlerini tamamen ortadan kaldırmasından kaynaklandığını doğruladı.

Yüzey mühendisliği ile tasarlanmış In₂O₃ nanokristal rekombinasyon bağlantıları ve sinerjik bulk/arayüz HSM mühendisliği sayesinde bu çalışma, 65 cm² açıklık alanı üzerinde %26,2 sertifikalı verimliliğe sahip tam perovskit tandem güneş modülünü başarıyla elde ederek modül boyutu, verimlilik ve çalışma kararlılığında kapsamlı atılımlar sağlamıştır. Çalışma, tam perovskit tandem fotovoltaik teknolojisinin ticarileşme potansiyelini güçlü bir şekilde göstermektedir. Geleceğe bakıldığında, modül alanını 800 cm²'nin ötesine taşımak, geniş ve dar bant aralıklı alt hücrelerin yüksek kaliteli ve homojen üretimini sağlamak için slot-die kaplama gibi biriktirme işlemlerinin vakum destekli kristalizasyon gibi yöntemlerle sinerjik optimizasyonunu gerektirecektir.

Referans ve Test Ekipmanları

Yaşlandırma kaynağı olarak A+AA+ sınıfı LED güneş simülatörü kullanan kompozit bir perovskit MPPT test cihazı, gelişmiş teknoloji ve çok fonksiyonlu tasarımıyla perovskit güneş hücresi araştırmalarına güçlü destek sağlar. Bu tür cihazlar esas olarak bitmiş perovskit tek eklemli ve tandem hücrelerin kararlılık testi için kullanılır. Perovskit hücrelerin çıkış özellikleri ışık ve sıcaklık gibi çevresel faktörlerden kolayca etkilendiğinden, maksimum güç noktası sık sık dalgalanır. Bir MPPT denetleyicisi, maksimum güç noktasını gerçek zamanlı olarak izler ve kilitler, sistemin her zaman optimum güç çıkışında çalışmasını sağlar.

Referans: Tüm perovskit tandem güneş modülleri için nanokristal uyarlamalı rekombinasyon

Ooitech'in Görüşü

Ooitech inanıyor: yüzey mühendisliği ile tasarlanmış In₂O₃ nanokristal rekombinasyon bağlantıları ve HSM bulk/arayüz mühendisliği, geniş alanlı tam perovskit tandem modüllerini sertifikalı %26,2 verimliliğe taşıyarak bu teknolojiyi ticarileşmeye bir adım daha yaklaştırdı.