Utangulizi

Moduli za jua za tandem za perovskite zote zinachukuliwa kuwa mshindani mkubwa wa teknolojia ya photovoltaic ya kizazi kijacho kutokana na ufanisi wao wa juu na uwezo wa gharama nafuu. Hata hivyo, biashara ya eneo kubwa imekuwa ikizuiliwa sana. Wakati vifaa vidogo tayari vimevuka ufanisi wa 30%, moduli za eneo kubwa (≥20 cm²) zimekuwa zikikwama karibu 24.5% kwa muda mrefu. Sababu kuu ni ufyonzaji wa infrared karibu na mwanga na ukosefu wa utulivu wa joto wa muundo wa Au/PEDOT:PSS katika viunganishi vya handaki vya kawaida vya dhahabu (TRJs), pamoja na usafirishaji wa chaji ulioharibika katika filamu za perovskite za Pb-Sn za eneo kubwa zinazosababishwa na fuwele zisizo sawa wakati wa mipako ya blade.

Utafiti huu unatengeneza TRJ inayotibiwa kwa suluhisho iliyojengwa kwenye nanocrystal In₂O₃ zilizoboreshwa uso. Kwa kurekebisha mofolojia ya nanocrystal na kemia ya uso, timu ilifanikisha uwazi wa juu wa macho, nyuso laini, na mpangilio bora wa kiwango cha nishati. Wakati huo huo, viungio vya aina ya asidi ya fosfoniki vilianzishwa kwenye kianzio cha perovskite cha Pb-Sn ili kuboresha mawasiliano ya kielektroniki na safu ya kuunganisha ya In₂O₃, kuongeza uchimbaji wa mashimo, na kurekebisha kinetiki za fuwele ili kupunguza mkazo uliobaki kwenye filamu za eneo kubwa. Mkakati huu uliochanganywa huongeza kwa wakati mmoja ufanisi wa kuunganisha wabebaji kwenye kiunganishi, uchimbaji wa chaji, na usawa wa filamu ya eneo kubwa, hatimaye kutoa ufanisi wa 26.2% ulioidhinishwa na JET kwenye eneo la ufunguzi la 65 cm² (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — hatua muhimu kwenye barabara ya kuongeza ukubwa wa photovoltaic za tandem za perovskite zote.

Muundo na Faida za TRJ Mpya

Kazi inapendekeza njia mbadala ya kusindika: TRJ mpya (Aina ya III) iliyoundwa kutoka kwa nanocrystals za oksidi ya indium iliyoboreshwa uso (In₂O₃ NCs). Inalinganishwa kwa utaratibu dhidi ya muundo wa kawaida wa Au/PEDOT:PSS Aina ya I na muundo wa Aina ya II unaotegemea nanocrystals za ITO za kibiashara.

Sifa za muundo na kiolesura

In₂O₃ NCs zilizojitengeneza zina ukubwa wa chembe ndogo zaidi kuliko ITO NCs za kibiashara, na kutengeneza kiolesura cha maziko laini na kupunguza kwa ufanisi msongamano wa kasoro za mawasiliano. Majaribio ya umeme yanaonyesha muundo wa Aina ya III una tabia bora ya mawasiliano ya ohmic bila kizuizi cha usafirishaji wa chaji.

Uthabiti wa macho na joto

Uainishaji wa macho unaonyesha kuwa PEDOT:PSS katika Aina ya I husababisha upotezaji mkubwa wa kunyonya kwa upande, wakati filamu ya In₂O₃ NC ina uwazi wa macho wa hali ya juu. Chini ya kuzeeka kwa joto kwa kasi kwa 85°C, ufanisi wa moduli ya Aina ya I ulishuka hadi chini ya nusu ya thamani yake ya awali ndani ya masaa 50, wakati Aina ya II na Aina ya III zenye msingi wa NC zilihifadhi takriban 75% ya ufanisi wa awali baada ya masaa 200. Kwenye substrate ya 10×10 cm², filamu za NC zilizopakwa kwa blade zilionyesha kunyonya kwa macho kwa usawa zaidi kuliko filamu nyembamba za Au zilizowekwa kwa mvuke, ikionyesha kikamilifu faida ya asili ya nanocrystals zilizosindikwa kwa suluhisho katika utengenezaji unaoweza kupanuliwa.

Kuboresha Utengenezaji wa Filamu ya Perovskite ya Eneo Kubwa

Baada ya upotezaji wa macho na ukosefu wa uthabiti wa TRJ kutatuliwa, utengenezaji wa filamu za Pb-Sn perovskite za eneo kubwa kwa usawa ukawa kizuizi kingine cha kiufundi. Mifumo ya kawaida ya kutengenezea DMF/DMSO ina viwango vya juu vya kuchemka na uvukizi wa polepole, hivyo kinetiki zao za ukuaji wa fuwele huchelewa wakati wa upakaji wa blade wa kasi ya juu, na kufanya iwe vigumu kutengeneza filamu zenye usawa kwenye substrates kubwa.

Ili kutatua hili, timu ilitengeneza mfumo wa kutengenezea wa binary unaotegemea 2-methoxyethanol (2-Me) na tetrahydrofuran (THF). Kwa kiwango chake cha chini cha kuchemka na shinikizo la juu la mvuke, mfumo huu hufikia kwa haraka ujazo mwingi muhimu na kuharakisha ukuaji wa fuwele. Kwa kutumia hili, kasi ya upakaji wa blade ya Pb-Sn perovskite iliongezwa kutoka 5 mm/s katika mfumo wa jadi wa DMF hadi 30 mm/s, ikitoa mwangaza wa photoluminescence (PL) wenye usawa wa hali ya juu na uthabiti bora wa kifaa kwenye substrates za 10×10 cm² na kubwa zaidi. Hii ilifanikiwa kuvunja changamoto ya kinetiki za ufuaji wa fuwele za upakaji wa eneo kubwa na kufikia uthibitishaji wa awali wa ufanisi wa 17.5% kwenye eneo la ufunguzi la 65 cm².

Uhandisi wa Ligandi ya Uso na Ulinganishaji wa Kiwango cha Nishati

Baada ya kuondoa PEDOT:PSS, hasara za macho zilipungua, lakini voltage ya mzunguko wazi (VOC) na kipengele cha kujaza (FF) vilipungua, kutokana na kuongezeka kwa vizuizi vya usafirishaji kati ya nyuso na muunganiko usio na mionzi kati ya perovskite na safu ya NC. Ili kushughulikia hili, utafiti ulitekeleza mkakati wa uboreshaji wa ushirikiano wa pande mbili:

Uhandisi wa ligand ya uso ili kurekebisha viwango vya nishati

Kupitia ubadilishanaji wa ligand, MMES na MMPA zilitumika kurekebisha uso wa NC za In₂O₃. Spectroscopia ya picha ya elektroni ya UV (UPS) ilionyesha kuwa NC za In₂O₃ zilizorekebishwa kwa MMPA hufikia mwinuko mzuri wa bendi ya uso na filamu ya perovskite inayolengwa (mwinuko wa juu wa takriban 50 meV), ikikuza kwa kiasi kikubwa utoaji wa mashimo, wakati urekebishaji wa OAm au MMES ulisababisha mwinuko wa chini na kizuizi cha usafirishaji. Majaribio ya sasa yaliyowekewa kikomo na nafasi (SCLC) yaliondoa ushawishi wowote wa ligand kwenye uhamaji wenyewe, ikithibitisha kuwa faida ya utendaji inatokana hasa na mpangilio bora wa viwango vya nishati.

Uwekaji wa wingi wa nyenzo ya kuchagua mashimo ya asidi ya fosfoni (HSM)

Timu iliweka HSM za asidi ya fosfoni kama MeO-2PACz moja kwa moja kwenye kianzio cha Pb-Sn perovskite (iliyoboreshwa kwa 0.2 mol%) badala ya kuziweka kwenye urekebishaji wa uso tu. Mkakati huu wa uwekaji wa wingi huepuka tatizo la kufunika kwa SAM kwa usawa katika maeneo makubwa. UPS ilionyesha kuwa baada ya uwekaji wa HSM, kazi ya kazi ya perovskite ilibadilika kutoka 5.04 eV hadi 4.81 eV, kiwango cha juu cha bendi ya valence kiliongezeka, na tabia ya aina-n ilipungua, ikilingana vyema na viwango vya nishati vya NC za In₂O₃. Kiini cha Pb-Sn cha pamoja cha HTL-free kilifikia ufanisi wa 23%, wakati kifaa kilichopakwa blade kwa kutumia NC za In₂O₃-MMPA kama safu ya usafirishaji wa mashimo (HTL) kilifikia ufanisi wa 24.0% wa skanning ya nyuma na JSC ya juu kama 33.8 mA cm⁻².

Majukumu Mbalimbali ya HSM kwenye Filamu ya Perovskite

Jukumu la HSM linaenda mbali zaidi ya usafirishaji wa chaji — linaathiri kwa kiasi kikubwa uangazaji wa filamu na uzuiaji wa kasoro:

Udhibiti wa uangazaji na ukandamizaji wa kasoro

Hadubini ya elektroni ya skanning (SEM) ilionyesha kuwa baada ya uwekaji wa HSM, uchafu wa matawi ambao hapo awali ulikuwa ukivuka mipaka ya punje kwenye filamu ya Pb-Sn ulitoweka, ukubwa wa punje uliongezeka kwa kiasi kikubwa, na mipaka ya punje ilichukua mwonekano wa "kuunganishwa". GIWAXS na XRD zilithibitisha kuwa HSM ilizuia kwa ufanisi uundaji wa awamu ya uchafu ya PbI₂. ¹H NMR ya kioevu ilifunua zaidi kuwa HSM, kupitia upendeleo wa deprotonation, hutumia vikundi vya asidi ya fosfoni huru, na hivyo kuzuia deprotonation yao ya asidi ya FA⁺ cations na kuleta utulivu wa kemia ya kianzio.

Uboreshaji wa mienendo ya wabebaji

Uchunguzi wa spectroscopy ya kunyonya kwa muda mfupi (TAS) ulionyesha kuwa uondoaji wa mionzi usio wa radiative ulioongozwa na kasoro ulipunguzwa kwa kiasi kikubwa baada ya uongezaji wa HSM. Mwangaza wa PL wa hali ya kudumu uliongezeka kwa kasi, wastani wa muda wa maisha ya PL uliongezeka kutoka 1042 ns hadi 1889 ns, na hasa uzuiaji mkali kwenye kiolesura cha chini, ukiondoa kwa ufanisi utegaji wa chaji kwenye kiolesura kilichozikwa. Uchunguzi wa OPTP ulionyesha uhamaji wa wabebaji wa filamu lengwa uliongezeka kutoka 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ hadi 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ na urefu wa uenezaji ulikua kutoka 2.65 μm hadi 4.78 μm, ikithibitisha uboreshaji wa pande zote katika ubora wa filamu nzima.

Utendaji na Uthabiti wa Moduli ya Eneo Kubwa

Kwa kujenga juu ya mikakati hii ya ushirikiano, timu ilitengeneza moduli ya tandem ya perovskite zote yenye eneo la ufunguzi la 65 cm² (seli 14 ndogo kwa mfululizo). Moduli bora iliyotumia TRJ ya Aina ya III (In₂O₃-MMPA) ilifikia ufanisi wa 26.6% uliojaribiwa maabara (skanio la nyuma), na VOC ya 30.4 V, JSC ya 1.12 mA cm⁻², na FF ya 78.2%. Ufanisi wake ulioimarishwa uliothibitishwa na JET ulifikia 26.2%, ukishinda wazi moduli ya kudhibiti iliyotumia TRJ ya Aina ya I ya kawaida (24.8%). Baada ya uboreshaji wa eneo la kufa, kipengele cha kujaza kijiometri kilifikia 96.5%, ikitoa ufanisi sawa wa eneo amilifu wa hadi 27.6%. Ramani ya anga ya EQE ilionyesha kuwa, katika nafasi 16 tofauti, wastani wa msongamano wa sasa uliojumuishwa wa seli za juu na za chini ulikuwa 16.3 na 16.2 mA cm⁻² mtawalia - ikilingana kwa karibu na matokeo ya J-V na zote zikivunja kizuizi cha moduli cha chini ya 15 mA cm⁻² kilichoripotiwa hapo awali.

Kwa upande wa kutegemewa, kufuatia kiwango cha IEC 61215:2021, moduli iliyofungwa ya Aina ya III ilifikia muda wa maisha wa T90 (kuhifadhi 90% ya ufanisi wa awali) wa saa 771 chini ya ufuatiliaji wa MPP wa jua moja endelevu, na bado ilishikilia ufanisi wa 82.5% baada ya saa 1000. Katika jaribio la joto la unyevu la 85°C/85% RH (ISOS-D-3), moduli ya Aina ya III ilifikia wastani wa muda wa maisha wa T84 wa saa 1000, wakati moduli ya Aina ya I ilikuwa tayari imeshuka chini ya 40% ya ufanisi; katika jaribio la mzunguko wa joto la -40°C hadi 85°C (ISOS-T-3), moduli ya Aina ya III ilihifadhi 93% ya ufanisi wa awali baada ya mizunguko 200. Majaribio yote ya kuzeeka kwa kasi yalithibitisha kuwa uthabiti bora wa Aina ya III unatokana na kuondoa kabisa sababu za kukosekana kwa uthabiti zinazosababishwa na PEDOT:PSS.

Kupitia makutano ya kuunganisha tena ya nanocrystal In₂O₃ iliyoundwa kwa uso na uhandisi wa pamoja wa wingi/interface HSM, kazi hii imefanikiwa kupata moduli ya jua ya tandem ya perovskite yenye ufanisi wa 26.2% iliyothibitishwa juu ya eneo la ufunguzi la 65 cm², ikitoa mafanikio makubwa katika ukubwa wa moduli, ufanisi, na uthabiti wa uendeshaji. Kazi hii inaonyesha wazi uwezo wa kibiashara wa teknolojia ya photovoltaic ya tandem ya perovskite. Kwa kuangalia mbele, kusukuma eneo la moduli zaidi ya 800 cm² kutahitaji uboreshaji wa pamoja wa michakato ya uwekaji kama vile slot-die coating pamoja na mbinu kama vile crystallization kwa msaada wa utupu, ili kuhakikisha utengenezaji wa hali ya juu na sawa wa seli ndogo za upana na nyembamba za bandgap.

Vifaa vya Marejeleo na Upimaji

Kichunguzi cha MPPT cha perovskite cha mchanganyiko kinachotumia kianzio cha kuzeeka cha LED solar simulator cha daraja la A+AA+ kinatoa msaada mkubwa kwa utafiti wa seli za jua za perovskite kupitia teknolojia ya hali ya juu na muundo wa kazi nyingi. Vyombo kama hivi hutumiwa hasa kwa upimaji wa uthabiti wa seli za perovskite za kituo kimoja na tandem zilizokamilika. Kwa sababu sifa za pato za seli za perovskite huathiriwa kwa urahisi na mambo ya mazingira kama vile mwanga na joto, kiwango cha juu cha nguvu hubadilika mara kwa mara. Kidhibiti cha MPPT hufuatilia na kufunga kiwango cha juu cha nguvu kwa wakati halisi, kuhakikisha mfumo unafanya kazi kwa pato bora la nguvu kila wakati.

Marejeleo: Urekebishaji wa kuunganisha tena kwa nanocrystal kwa moduli za jua za tandem za perovskite zote

Maoni ya Ooitech

Ooitech inaamini: makutano ya kuunganisha tena ya nanocrystal In₂O₃ iliyoundwa kwa uso pamoja na uhandisi wa wingi/interface HSM yamesukuma moduli za tandem za perovskite za eneo kubwa hadi ufanisi wa 26.2% uliothibitishwa, na kuleta teknolojia hii hatua moja muhimu karibu na kibiashara.