%26.2 Sertifikalı Verimlilik Atılımı Büyük Alanlı Tam Perovskit Tandem Modüllerde: In₂O₃ Nanokristal Tünel Rekombinasyon Bağlantısı

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 alanlı ticarileşme 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. Ekip, nanokristal morfolojisini ve yüzey kimyasını ayarlayarak yüksek optik şeffaflık, pürüzsüz arayüzler ve ideal enerji seviyesi hizalaması elde etmiştir. Aynı zamanda, Pb-Sn perovskit öncüsüne fosfonik asit tipi katkı maddeleri eklenerek In₂O₃ rekombinasyon katmanı ile elektronik temas iyileştirilmiş, boşluk ekstraksiyonu artırılmış ve geniş alanlı filmlerdeki kalıntı gerilimi azaltmak için kristalleşme kinetiği ayarlanmıştır. Bu birleşik strateji, bağlantıdaki taşıyıcı rekombinasyon verimliliğini, yük ekstraksiyonunu ve geniş alanlı film homojenliğini aynı anda artırarak 65 cm² açıklık alanında JET sertifikalı %26.2 verimlilik (VOC = 2.182 V, FF = %77.4, JSC = 15.6 mA cm⁻²) sağlamıştır — bu, tam perovskit tandem fotovoltaiklerin ölçeklendirilmesi yolunda önemli bir kilometre taşıdır.

Yeni TRJ'nin Tasarımı ve Avantajları

Çalışma, çözelti işlemeli bir alternatif önermektedir: yüzey mühendisliği yapılmış indiyum oksit nanokristallerden (In₂O₃ NC'ler) oluşturulan yeni bir TRJ (Tip III). Geleneksel Au/PEDOT:PSS Tip I yapısı ve ticari ITO nanokristallere dayalı Tip II yapısı ile sistematik olarak karşılaştırılmıştır.

Yapı ve arayüz özellikleri

Kendiliğinden 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 yapının herhangi bir yük taşıma bariyeri olmadan ideal omik temas davranışı sergilediğini 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 yarısının altına düşerken, NC tabanlı Tip II ve Tip III, 200 saat sonra başlangıç verimliliğinin yaklaşık %75'ini korumuştur. 10×10 cm² altlık 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.

Büyük Alanlı Perovskit Film Üretimini Optimize Etme

TRJ'nin optik kaybı ve kararsızlığı çözüldükten sonra, büyük 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 altlıklar 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 yükseltildi ve 10×10 cm² ve daha büyük altlıklar üzerinde oldukça homojen fotolüminesans (PL) yoğunluğu ve mükemmel cihaz tutarlılığı sağlandı. Bu, büyük alanlı kaplamanın kristalleşme kinetiği zorluğunu başarıyla aştı ve 65 cm² açıklık alanı üzerinde %17,5 verimlilik doğrulaması elde edildi.

Yüzey Ligand Mühendisliği ve Enerji Seviyesi Eşleştirme

PEDOT:PSS kaldırıldıktan sonra optik kayıplar azaldı, ancak açık devre voltajı (VOC) ve dolgu faktörü (FF) düştü; bu, perovskit ile NC tabakası arasındaki artan arayüz taşıma bariyerlerine ve ışınımsız rekombinasyona atfedildi. 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 perovskite film ile uygun arayüz bant bükülmesi (yaklaşık 50 meV yukarı bükülme) sağladığını ve boşluk ekstraksiyonunu önemli ölçüde teşvik ettiğini, OAm veya MMES modifikasyonunun ise aşağı bükülmeye ve bir taşıma bariyerine neden olduğunu gösterdi. Sınırlayıcı boşluk yükü akımı (SCLC) testleri, ligandların mobilite üzerinde herhangi bir etkisini ortadan kaldırarak performans kazancının esas olarak optimize edilmiş enerji seviyesi hizalamasından kaynaklandığını doğruladı.

Fosfonik asit boşluk seçici malzeme (HSM) ile toplu katkılama

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

HSM'nin Perovskite Film Üzerindeki Çoklu Rolleri

HSM'nin rolü, yük taşımacılığının çok ötesine geçer; film kristalizasyonunu ve kusur pasivasyonunu derinden etkiler:

Kristalizasyon 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 kaynaklı 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 sahip (seri bağlı 14 alt hücre) 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 doluluk faktörü %96.5'e ulaşarak, eşdeğer aktif alan verimliliğini %27.6 gibi yüksek bir değere çıkardı. 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 verimliliği 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 modülü elde ederek modül boyutu, verimlilik ve çalışma kararlılığında kapsamlı atılımlar gerçekleştirmiştir. 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: Nanokristal ile özelleştirilmiş rekombinasyon ile tam perovskit tandem güneş modülleri

Ooitech'in Görüşü

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