Perovskit/Silikon Tandem Hücreler: 8nm ITO Ara Bağlantı
İçindekiler
Hızlı yanıt: Monolitik perovskit/silikon tandem hücreler, bir perovskit üst bağlantı noktasını doğrudan bir silikon alt bağlantı noktası üzerine istifler ve aralarında ince bir şeffaf ara bağlantı katmanı bulunur. Bu ara bağlantı, mühendislik açısından en kritik noktadır: akımı bir bağlantı noktasından diğerine geçirmeli, alt hücrenin ihtiyaç duyduğu dalga boylarında optik olarak şeffaf kalmalı ve üstündeki katmanların işlenmesine dayanmalıdır. Bu çalışmada ara bağlantı, yaklaşık 8 nm kalınlığında bir indiyum kalay oksit katmanıdır ve 15 nm, 30 nm, 110 nm ve 600 nm bölgelerindeki katmanları içeren bir istif içinde yer alır; cihazın başka bir yerinde 10 µm'lik bir özellik bulunur. Kullanılan ölçümler, mavi uçtan yakın kızılötesine kadar görünür dalga boylarını kapsar. Katman yalnızca birkaç nanometre olduğundan, sürekliliği ve katkılaması kalınlığı kadar önemlidir.
PV Modül Üretimi · Jerry, Ooitech tarafından
Ürün Tanıtımı
Monolitik perovskit/silikon tandem güneş hücreleri, tek eklemli cihazların verimlilik tavanını aşmanın en net yollarından biridir. Üst hücre ve alt hücre, bir rekombinasyon ara bağlantı katmanı aracılığıyla seri olarak bağlanır ve bu arayüzün ne kadar iyi olduğu, taşıyıcıların sorunsuz bir şekilde taşınıp rekombine olup olamayacağını belirler. Sorun, silikon heteroeklem (SHJ) alt hücresinin mikro-piramit dokulu yüzeyinde yatmaktadır. Piramitler yaklaşık 600 nm yüksekliğindedir ve bu arazide rekombinasyon katmanı optik parazitik kayba uğrarken, kendiliğinden düzenlenen tek katman (SAM) asla eşit şekilde yayılmaz. Zamanla bu, cihaz performansını düşürür.
Bu çalışma, 2 ila 30 nm kalınlığındaki indiyum kalay oksit (ITO) ara bağlantı katmanlarını ölçtü ve ultra ince 8 nm'lik bir katmanın aynı anda iki cephede en iyi şekilde çalıştığını buldu: optik kaybı azaltmak ve yüzey potansiyeli tekdüzeliğini iyileştirmek. NiOx modifikasyonu ve Poly-SAM işlevselleştirmesi üzerine eklendiğinde, kısa devre akım yoğunluğu 0,85 mA cm⁻² artarak 20,82 mA cm⁻²'ye ulaştı, güç dönüşüm verimliliği %31,80'e çıktı ve 500 saatlik maksimum güç noktası takibinden sonra cihaz başlangıç verimliliğinin %96'sını korudu.
Deneysel Yöntem
SHJ alt hücresi, 110 ± 10 µm kalınlığında n-tipi silikon gofretler kullandı, KOH ile çift taraflı dokulandırılarak yaklaşık 600 nm yüksekliğinde piramitler oluşturuldu. RCA temizliğinden sonra, PECVD sırasıyla pasivasyon ve katkılı katmanları biriktirdi: ön taraf 8 nm intrinsik a-Si:H(i) artı 15 nm n-tipi nc-SiOx:H(n) aldı, arka taraf 8 nm p-tipi a-Si:H(p) aldı, ardından arkaya 110 nm ITO püskürtüldü ve 700 nm Ag buharlaştırıldı. Ön tarafta, altı ITO ara bağlantı kalınlığı ayrı ayrı biriktirildi: 2, 5, 8, 10, 20 ve 30 nm, 180°C'de tavlandı ve lazerle kazındı.
Perovskit üst hücre bu yolu izledi. Alt hücre önce tavlanıp UV-ozon ile işlendi, ardından NiOx manyetik püskürtme ile biriktirildi, bunu başka bir tavlama ve UV-ozon adımı izledi. Bir nitrojen eldiven kutusu içinde, Poly-SAM döndürerek kaplandı (0.5 mg mL⁻¹, çözücü metanol ve klorobenzen 1:1 oranında) ve 100°C'de tavlandı. Perovskit, 1.68 eV bant aralığına sahip Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ idi, iki adımda döndürülerek kaplandı ve yüksek hız aşamasında antisolvent olarak klorobenzen damlatıldı, ardından 100°C'de 20 dakika pişirildi. Yüzey PDADI ile ayarlandı, ardından C₆₀ termal olarak buharlaştırıldı, SnO₂ ALD ile büyütüldü, 45 nm IZO püskürtüldü, Ag elektrotlar buharlaştırıldı ve son olarak bir MgF₂ yansıma önleyici film istifi kapladı.
Teknik Avantajlar
ITO Ara Bağlantı Katmanının Optoelektronik Özellikleri
(a) Rsh, Ne ve µ'nin kalınlığa göre değişimi (n = 10); (b) ITO katmanının optik absorpsiyonu ve yansıması; (c) kalınlığa göre iş fonksiyonu; (d) farklı kalınlıklarda NiOx işlemi öncesi ve sonrası iş fonksiyonu kayması (ΔWF); (e) NiOx ile modifiye edilmiş ITO üzerinde SAM dağılımının şeması; (f) 2–30 nm ara bağlantı ITO'sunun KPFM yüzey potansiyel haritaları; (g) NiOx ve Poly-SAM fonksiyonelleştirmesi öncesi ve sonrası 8 nm ara bağlantı ITO'sunun KPFM yüzey potansiyel haritaları.
Hall etkisi ölçümleri, film kalınlığı arttıkça tabaka direncinin düştüğünü gösterdi ki bu beklenen bir durumdur. Taşıyıcı konsantrasyonu 8 ile 30 nm arasında oldukça sabit kaldı, yaklaşık 2.8 ile 3.5 × 10²⁰ cm⁻³ arasında, ancak 8 nm'nin altına inildiğinde düşmeye başladı. Hareketlilik, dar 2 ila 8 nm penceresinde sadece hafifçe düştü, bu da film bütünlüğünün hala sağlam olduğunun bir işaretidir. 8 nm, tabaka direncinin yeterince düşük olduğu ve elektriksel performansın çökmediği tatlı noktaya tam olarak denk gelir.
(a) Dokulu c-Si alt hücre yüzeyindeki ITO katmanının tepe noktası uydurulmuş O 1s yüksek çözünürlüklü XPS spektrumu. (b) NiOx modifikasyonu öncesi ve sonrası dokulu c-Si alt hücre üzerindeki 8 nm ITO katmanının yüksek çözünürlüklü XPS spektrumları. (c) Dokulu c-Si alt hücre üzerindeki 8 nm ITO katmanının kesit SEM görüntüsü. (d) 8 nm ITO numunesinin odaklanmış bölgesine ait karşılık gelen EDS element haritaları, sağ üstte renk-element efsanesi ile.
Optik olarak, ITO'nun inceltilmesi, yıkıcı girişim ve daha zayıf serbest taşıyıcı absorpsiyonu sayesinde 450 nm'nin üzerinde hem yansımayı hem de absorpsiyonu düşürdü.
UPS, iş fonksiyonunun kalınlık azaldıkça arttığını ve NiOx modifikasyonu ve tavlama sonrasında iş fonksiyonu kaymasının 8 nm'de zirve yaptığını gösterdi.
KPFM alan taramaları, 10 nm altı ITO'nun tüm yerel şant noktalarını bastırdığını ve 8 nm'nin en iyi homojenliği sağladığını ortaya koydu.
XPS ilginç bir detay ortaya çıkardı: 8 nm ITO yüzeyi, 20 nm olana göre daha yüksek hidroksil yoğunluğuna sahipti ve bu hidroksiller NiOx ile In─O─Ni köprü bağları oluşturarak NiOx'in daha eşit yayılmasını ve daha sıkı yapışmasını sağladı. Modifikasyon sonrası In sinyali tamamen kayboldu, bu da kaplama katmanı kalitesinin mükemmel olduğunu ve ardından gelen SAM kendiliğinden birleşmesi için iyi bir temel oluşturduğunu gösteriyor.
SEM ve EDS de 8 nm ITO'nun doku üzerinde uyumlu kaplama sağladığını doğruladı.
Tandem Hücre Fotovoltaik Performansı
(a) Perovskit/silisyum tandem hücrelerde Jsc değişimi; (b) Voc değişimi; (c) FF değişimi; (d) PCE değişimi; (e) ITO üzerindeki tandem hücrenin kesit SEM görüntüsü; (f) ITO üzerindeki perovskit filmin XRD deseni; (g) ITO üzerindeki perovskit filmin kararlı durum PL spektrumu; (h) normalize edilmiş kararlı durum PL eğrileri; (i) ITO üzerindeki perovskit filmin geçici TRPL bozunma spektrumları; (j) tandem hücrenin fotolüminesans görüntüsü, aktif alan 0.928 cm².
Altı ITO ara bağlantı kalınlığının tümü J-V testine tabi tutuldu.
5 nm'nin altında, Voc ve FF sert bir şekilde düştü. Voc 1.7 V'un üzerine çıkarılamadı ve PCE sadece %21.68 olarak geldi, bunun başlıca nedeni filmin piramit dokusu üzerinde zaten süreksiz olmasıydı.
8 nm en iyi cevaptı. Kesit SEM, ultra ince ITO (10 nm altı) üzerinde perovskit tanelerinin daha büyük ve daha yoğun olduğunu gösterdi ve XRD daha iyi kristal kalitesini doğruladı, ancak 5 nm numunesi bir PbI₂ zirvesi ortaya çıkardı, bu da bozulmanın başladığının bir işaretiydi. Kararlı durum PL yoğunluğu 30 nm'den 8 nm'ye kadar arttı, sonra tekrar düştü, bu nedenle 8 nm en düşük kusur yoğunluğuyla eşleşen zirvede yer aldı.
Normalize PL karakteristik zirvesi kaymadı, bu da arayüz radyasyonsuz rekombinasyonunun doğasının aynı kaldığı anlamına geliyor. TRPL taşıyıcı ömürleri de 8 nm'de en uzundu. Bu sonuçlar, Poly-SAM'in getirdiği daha güçlü net dipol ve daha homojen iş fonksiyonuna dayanıyor ve Voc ile FF'yi birlikte yükseltiyor. PL görüntüleme ayrıca perovskit alt hücre içinde mikron altı homojensizlikleri ortaya çıkardı, ancak ultra ince yüksek dirençli ITO katmanı yüksek yanal dirence sahip olduğundan, yerel şantajın etkisi etkili bir şekilde sınırlandırıldı ve tüm cihazı asla aşağı çekmedi.
Akım Yoğunluğu İyileştirmesi
(a) 8 nm ITO ara bağlantı katmanı altında perovskit ve silikon alt hücrelerinin EQE eğrileri; (b) başlangıç ve optimize edilmiş tandem hücrelerinin EQE eğrileri.
Ön IZO katmanı, Aw × Rsheet⁻¹ kalite faktörü ile değerlendirildi ve 45 nm en iyi sonucu verdi. Ara bağlantı ITO'sunun 20 nm'den 10 nm'ye ve 8 nm'ye inceltilmesi, ortalama Jsc'yi 19.78'den 19.96'ya ve 20.55 mA cm⁻²'ye yükseltti. Perovskit ve silikon alt hücrelerinin EQE ile entegre akım yoğunlukları sırasıyla 20.64 ve 20.51 mA cm⁻² idi ve J-V verileriyle uyumluydu. 20 nm ITO'ya kıyasla 8 nm, perovskit alt hücresine ek 0.06 mA cm⁻² ve silikon alt hücresine ek 0.47 mA cm⁻² sağladı; en büyük kazanç silikon alt hücresinin yakın kızılötesi katkısından geldi.
Ürün Uygulaması
Cihaz Performansı ve Kararlılık
(a) Perovskit/silikon tandem güneş hücresinin şematik yapısı ve fotoğrafı; (b) tandem hücresinin kesit SEM görüntüsü; (c) tek eklemli perovskit ve silikon alt hücrelerinin J-V eğrileri; (d) yüksek performanslı hücrenin temsili J-V eğrisi; (e) 30 nm'den 2 nm'ye ITO ara bağlantı katmanları üzerine inşa edilen perovskit/silikon tandem hücrelerinde Rs değişimi; (f) 1 güneş aydınlatması altında kapsüllenmiş tandem hücresinin MPPT test sonuçları.
ITO ara bağlantı kalınlığı ayarlandıktan sonra, tandem cihazlarının ortalama PCE'si %28.64'ten %30.67'ye yükseldi. 2 nm ITO, 41.26 Ω kadar yüksek bir seri direnç Rs taşıdığından seri bağlantı esasen bozuldu. 8 nm Rs çok daha düşüktü, iç empedans azaldı ve maksimum güç noktası yakınındaki voltaj kaybı küçüldü. Kararlılık açısından, 8 nm ITO tandem hücresi 500 saatlik MPPT sonrasında başlangıç PCE'sinin %96'sını korurken, 20 nm olan yalnızca %90'ını korudu ve bu onu TCO/SAM ara bağlantı ailesindeki en kararlı hücrelerden biri yaptı. Neden bu kadar kararlı? Poly-SAM kaplaması yüksek ve perovskit kristalizasyonu da buna bağlı olarak iyileşiyor.
SAM tarafından kaplanan bölgeler düşük yüzey enerjisine sahiptir ve fosfonik asit grupları Pb²⁺ ve FA⁺ ile koordine olarak perovskitin yavaş ve düzenli bir şekilde büyümesini yönlendirir, böylece taneler büyük çıkar. Çıplak ITO bölgelerinde böyle bir şablon etkisi yoktur, çekirdeklenme hızlı ve düzensiz gerçekleşir ve taneler bol miktarda tane sınırı ile küçük kalır. Bunun üzerine, Poly-SAM arayüzdeki doymamış bağları ve halojen boşluklarını pasifleştirir, halojen göçü bastırılır ve bozulma yavaşlar. Ultra ince ITO'nun kendisinin getirdiği tekdüze yüzey potansiyeli de yardımcı olur ve birkaç faktörün bir araya gelmesiyle cihaz ömrü artar.
Buradaki MPPT kararlılık testi, yaşlandırma ışık kaynağı olarak 3A+ sınıfı bir LED'e dayanır ve hücre sıcaklığını ve çevre atmosferini çeşitli şekillerde kontrol ederek uzun süreli kararlılık testi yürütebilir. Bağlantı kutusu, hücre devresinden gelen elektriksel çıkışı toplar ve modül ile harici PV sistemi arasındaki bağlantıyı sağlar. Bir of 3A+ grade as the aging light source, which can control cell temperature and the surrounding atmosphere in several ways to run long-term stability testing.
Sonuç ve Gelecek Görünümü
8 nm, perovskit/silisyum tandem hücreler için optimum ITO ara bağlantı kalınlığıdır. Bu kalınlık hem perovskit kristal kalitesini yükseltir hem de parazitik absorpsiyonu düşük tutar. NiOx modifikasyonu ve Poly-SAM işlevselleştirmesinden sonra yüzey potansiyeli daha tekdüze hale gelir ve iş fonksiyonu kayması daha belirgin olur. 8 nm ITO yüzeyi daha fazla hidroksil taşır, NiOx eşit şekilde yayılır, SAM yoğun bir şekilde paketlenir ve doku üzerindeki uyumlu kaplama SEM ve EDS ile doğrulanmıştır. Geleneksel 20 nm ITO'ya karşı optimize edilmiş cihaz, %31,80'lik bir rekor verimliliğe ulaştı; Jsc 0,85 mA cm⁻² arttı ve 500 saatlik MPPT'den sonra başlangıç verimliliğinin %96'sı korundu.
Geleceğe bakıldığında, hala iyileştirilecek çok şey var. Arka doku ve optik yansıtıcı, silisyum alt hücresindeki ışık tuzağını güçlendirmek, akımını yükseltmek ve akım eşleşmesini sağlamak için daha da rafine edilebilir. FF ve Voc, genel verimliliği sınırlayan darboğazlar olmaya devam ediyor, bu nedenle temas pasivasyon stratejilerinin daha derinlemesine incelenmesi gerekiyor. Silisyum tabanlı tünel bağlantıları gibi alternatif ara bağlantı mimarileri de denenmeye değer. Üretime ölçeklendirme söz konusu olduğunda, TCO kalınlığı ve metalizasyon ızgarası tasarımı birlikte ayarlanmalıdır, böylece geniş alanlarda gölgeleme çok ağır olmaz ve yanal iletim zarar görmez. Ayrıca daha ince bir katmanla indiyum kullanımı düşer, bu da sürdürülebilirliğe fayda sağlar.
Ooitech'in Görüşü
Burada dikkat çeken, birkaç nanometrelik ITO'nun, 600 nm'lik piramit dokusunda hem optiği hem de kristalleşmeyi etkileyebilmesi ve aynı uyumlu kaplama sorununun, tandem hatları laboratuvar numunelerinden tam boyutlu modüllere geçtiğinde ortaya çıkmasıdır. Üretim katında, tabber-stringer, yerleştirme ve laminasyon adımlarının tümü, bu kırılgan ara bağlantı ve SAM arayüzlerine saygı göstermelidir; bu noktada, düzgün ve iyi ayarlanmış modül hattı ekipmanları değerini kanıtlar. Bu süreçlerin gerçek fabrika ölçeğinde nasıl göründüğünü görmek isterseniz, Ooitech YouTube kanalı www.youtube.com/ooitech takip etmeye değer.
İlgili: Uzayda perovskit: 100 termal şok döngüsünün bedeli nedir aynı soğurucu ailesine termal şok yerine ara bağlantı tasarımı üzerinden bakar.
Daha fazla okuma ve arka plan verileri
Bu konuyla ilgili, sektörün teknoloji yol haritasını ve pazar verilerini sürdüren kuruluşlar tarafından yayımlanmış kamuya açık referans materyalleri:
