Mafanikio ya Ufanisi wa 26.2% Uliothibitishwa katika Moduli Kubwa za Tandem za Perovskite: Kiunganishi cha Tunnel Recombination cha Nanocrystal In₂O₃

Utangulizi

Moduli za jua za tandem za perovskite 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 vya eneo ndogo tayari vimevuka ufanisi wa 30%, moduli za eneo kubwa (≥20 cm²) zimekuwa zikikwama karibu 24.5%. Sababu kuu ni ufyonzaji wa infrared karibu na nne wenye nguvu na ukosefu wa utulivu wa joto wa kiolesura cha muundo wa Au/PEDOT:PSS katika viunganishi vya kawaida vya tunnel recombination (TRJs) vya dhahabu, pamoja na usafirishaji wa chaji ulioharibika katika filamu za perovskite za Pb-Sn za eneo kubwa unaosababishwa na uangazaji usio sawa wakati wa upakaji wa blade.

Utafiti huu unatengeneza TRJ iliyosindikwa kwa suluhisho iliyojengwa kwenye nanocrystals za In₂O₃ zilizoboreshwa kwenye uso. Kwa kurekebisha umbo la nanocrystal na kemia ya uso, timu ilifanikisha uwazi wa juu wa macho, violesura laini, na upatanishi bora wa viwango vya nishati. Wakati huo huo, viungio vya aina ya asidi ya fosfoniki viliingizwa kwenye kianzilishi cha perovskite cha Pb-Sn ili kuboresha mawasiliano ya elektroniki na safu ya recombination ya In₂O₃, kuongeza uchimbaji wa mashimo, na kurekebisha kinetiki za uangazaji ili kupunguza mkazo uliobaki katika filamu za eneo kubwa. Mkakati huu wa pamoja wakati huo huo unaboresha ufanisi wa recombination ya wabebaji kwenye kiunganishi, uchimbaji wa chaji, na usawa wa filamu za eneo kubwa, hatimaye kutoa ufanisi wa 26.2% uliothibitishwa 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 njia ya kuongeza kiwango cha photovoltaic za tandem za perovskite.

Muundo na Faida za TRJ Mpya

Kazi hii inapendekeza njia mbadala iliyosindikwa kwa suluhisho: TRJ mpya (Aina ya III) iliyojengwa kutoka kwa nanocrystals za oksidi ya indium zilizoboreshwa kwenye 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 kibiashara za ITO.

Sifa za muundo na kiolwa

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

Utulivu wa macho na joto

Uchambuzi wa macho unaonyesha kwamba PEDOT:PSS katika Aina ya I husababisha upotezaji mkubwa wa kunyonya kwa mwanga, wakati filamu ya NC ya In₂O₃ ni wazi sana kwa macho. Chini ya kuzeeka kwa joto la 85°C, ufanisi wa moduli ya Aina ya I ulishuka hadi chini ya nusu ya thamani yake ya awali ndani ya saa 50, wakati Aina ya II na Aina ya III zenye msingi wa NC zilihifadhi takriban 75% ya ufanisi wa awali baada ya saa 200. Kwenye substrate ya 10×10 cm², filamu za NC zilizopakwa kwa blade zilionyesha kunyonya kwa mwanga kwa usawa zaidi kuliko filamu nyembamba za Au zilizowekwa kwa uvukizi wa joto, ikionyesha kikamilifu faida ya asili ya nanocrystals zilizochakatwa kwa suluhisho katika utengenezaji wa kiwango kikubwa.

Kuboresha Utengenezaji wa Filamu za Perovskite za Eneo Kubwa

Baada ya kutatua upotezaji wa macho na ukosefu wa utulivu wa TRJ, utengenezaji wa filamu za Pb-Sn perovskite za eneo kubwa ukawa kizuizi kingine cha kiteknolojia. Mifumo ya kawaida ya vimumunyisho vya DMF/DMSO ina viwango vya juu vya kuchemka na uvukizi wa polepole, kwa hivyo kinetiki zao za nucleation hukawia wakati wa kupaka kwa blade kwa kasi, na hivyo kufanya iwe vigumu kutengeneza filamu zenye usawa kwenye substrates kubwa.

Ili kutatua hili, timu ilitengeneza mfumo wa vimumunyisho vya binary kulingana na 2-methoxyethanol (2-Me) na tetrahydrofuran (THF). Kwa kuwa na kiwango cha chini cha kuchemka na shinikizo la juu la mvuke, mfumo huu hufikia haraka kueneza kwa kiwango cha juu na kuharakisha nucleation kwa kiasi kikubwa. Kwa kutumia hili, kasi ya kupaka kwa blade ya Pb-Sn perovskite iliongezwa kutoka 5 mm/s katika mfumo wa jadi wa DMF hadi 30 mm/s, ikitoa mwanga wa photoluminescence (PL) wenye usawa wa juu na uthabiti bora wa kifaa kwenye substrates za 10×10 cm² na kubwa zaidi. Hii ilifanikiwa kuvunja changamoto ya kinetiki ya crystallization ya kupaka eneo kubwa na kufikia uthibitisho wa awali wa ufanisi wa 17.5% kwenye eneo la aperture la 65 cm².

Uhandisi wa Ligand ya uso na Ulinganishaji wa Kiwango cha Nishati

Baada ya kuondoa PEDOT:PSS, upotezaji wa macho ulipungua, lakini voltage ya mzunguko wazi (VOC) na kipengele cha kujaza (FF) vilipungua, kutokana na kuongezeka kwa vizuizi vya usafirishaji wa kiolwa na mchanganyiko usio na mionzi kati ya perovskite na safu ya NC. Ili kushughulikia hili, utafiti ulitekeleza mkakati wa ushirikiano wa njia mbili:

Uhandisi wa ligand ya uso ili kurekebisha viwango vya nishati

Kupitia ubadilishanaji wa ligand, MMES na MMPA zilitumika kurekebisha uso wa NCs za In₂O₃. Spectroscopy ya photoelectron ya UV (UPS) ilionyesha kwamba NCs za In₂O₃ zilizorekebishwa na MMPA hufikia mwinuko mzuri wa bendi ya kiolesura na filamu ya perovskite inayolengwa (mwinuko wa juu wa takriban 50 meV), ikikuza kwa kiasi kikubwa uchimbaji wa mashimo, wakati urekebishaji wa OAm au MMES ulisababisha mwinuko wa chini na kizuizi cha usafirishaji. Majaribio ya sasa ya kikomo cha nafasi (SCLC) yaliondoa usumbufu wowote wa ligand kwenye mwendo wenyewe, ikithibitisha kwamba faida ya utendaji inatokana hasa na upatanishi bora wa viwango vya nishati.

Kujaza kwa wingi kwa nyenzo ya kuchagua mashimo ya asidi ya fosfoniki (HSM)

Timu ilijaza HSMs za asidi ya fosfoniki kama MeO-2PACz moja kwa moja kwenye kianzilishi cha perovskite cha Pb-Sn (kiboreshwa kwa 0.2 mol%) badala ya kuziwekea kikomo kwenye urekebishaji wa kiolesura. Mkakati huu wa kujaza kwa wingi huepuka tatizo la kufunika kwa SAM isiyo sawa juu ya maeneo makubwa. UPS ilionyesha kwamba baada ya kujaza HSM, kazi ya kazi ya perovskite ilihamia kutoka 5.04 eV hadi 4.81 eV, kiwango cha juu cha bendi ya valence kilisogea juu, na tabia ya n-type ikapungua, ikilingana vyema na viwango vya nishati vya NCs za In₂O₃. Seli ya Pb-Sn ya pamoja ya HTL-free iliyotokana ilifikia ufanisi wa 23%, wakati kifaa kilichopakwa kwa blade kwa kutumia NCs za In₂O₃-MMPA kama safu ya usafirishaji wa mashimo (HTL) kilifikia ufanisi wa 24.0% wa skanio la nyuma na JSC ya juu kama 33.8 mA cm⁻².

Majukumu Mengi ya HSM kwenye Filamu ya Perovskite

Jukumu la HSM linaenda mbali zaidi ya usafirishaji wa chaji — linaathiri kwa kina ukristalishaji wa filamu na upitishaji wa kasoro:

Udhibiti wa ukristalishaji na ukandamizaji wa kasoro

Microscopy ya elektroni ya skanning (SEM) ilionyesha kwamba baada ya kujaza HSM, uchafu wa dendritic ambao hapo awali ulikata mipaka ya nafaka kwenye filamu ya Pb-Sn ulitoweka, ukubwa wa nafaka ulikua kwa kiasi kikubwa, na mipaka ya nafaka ikachukua mwonekano wa "kuunganishwa". GIWAXS na XRD zilithibitisha kwamba HSM ilikandamiza kwa ufanisi uundaji wa awamu ya uchafu wa PbI₂. NMR ya ¹H ya kioevu ilifunua zaidi kwamba HSM, kupitia deprotonation ya upendeleo, hutumia vikundi vya asidi ya fosfoniki ya bure, hivyo kuzuia deprotonation yao ya asidi ya cations za FA⁺ na kuimarisha kemia ya kianzilishi.

Uboreshaji wa mienendo ya wabebaji

Spectroscopy ya ufyonzwaji wa mpito (TAS) ilionyesha kwamba ujumuishaji upya usio na mionzi unaosaidiwa na kasoro ulipunguzwa kwa kiasi kikubwa baada ya doping ya HSM. Mwangaza wa PL wa hali ya utulivu ulipanda kwa kasi, wastani wa muda wa maisha ya PL uliongezeka kutoka 1042 ns hadi 1889 ns, huku kukiwa na uimarishaji wenye nguvu hasa kwenye kiolesura cha chini, ukipunguza kwa ufanisi uvutaji wa chaji kwenye kiolesura kilichozikwa. Spectroscopy ya OPTP ilionyesha uhamaji wa wabebaji wa filamu lengwa ulipanda 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 kubwa.

Utendaji na Uthabiti wa Moduli ya Eneo Kubwa

Kwa kuzingatia mikakati hii ya ushirikiano, timu ilitengeneza moduli ya tandem ya all-perovskite yenye eneo la kipenyo cha 65 cm² (seli 14 ndogo kwa mfululizo). Moduli bora iliyotumia Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ ilifikia ufanisi wa 26.6% uliopimwa maabara (scan ya kurudi nyuma), na VOC ya 30.4 V, JSC ya 1.12 mA cm⁻², na FF ya 78.2%. Ufanisi wake wa utulivu uliothibitishwa na JET ulifikia 26.2%, ukizidi kwa uwazi moduli ya udhibiti iliyotumia Type I TRJ ya kawaida (24.8%). Baada ya uboreshaji wa eneo la kufa, kipengele cha kijiometri cha kujaza kilifikia 96.5%, ikitoa ufanisi sawa wa eneo amilifu wa hadi 27.6%. Ramani ya anga ya EQE ilionyesha kwamba, katika nafasi 16 tofauti, msongamano wa sasa uliojumuishwa wa seli ndogo za juu na za chini ulikuwa wastani wa 16.3 na 16.2 mA cm⁻² mtawalia — ukilingana kwa karibu na matokeo ya J-V na zote zikivunja kizuizi cha awali cha moduli cha chini ya 15 mA cm⁻².

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

Kupitia miunganisho ya recombination ya nanocrystal ya In₂O₃ iliyoundwa kwa uso na uhandisi wa pamoja wa HSM wa bulk/interface, kazi hii imefanikiwa kupata moduli ya tandem ya perovskite yenye ufanisi wa 26.2% iliyothibitishwa juu ya eneo la aperture la 65 cm², ikitoa mafanikio ya kina katika ukubwa wa moduli, ufanisi, na utulivu wa uendeshaji. Kazi hii inaonyesha kwa nguvu uwezo wa kibiashara wa teknolojia ya photovoltaic ya tandem ya perovskite yote. 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 vacuum-assisted crystallization, ili kuhakikisha utengenezaji wa hali ya juu na sawa wa seli ndogo za bandgap pana na nyembamba za eneo kubwa.

Vifaa vya Marejeo na Upimaji

Kifaa cha composite perovskite MPPT tester kinachotumia LED solar simulator ya daraja la A+AA+ kama chanzo cha kuzeeka kinatoa msaada mkubwa kwa utafiti wa seli za jua za perovskite kupitia teknolojia ya hali ya juu na muundo wa kazi nyingi. Vyombo kama hivyo hutumika hasa kwa upimaji wa utulivu wa seli za perovskite za kumaliza za single-junction na tandem. 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 la nguvu bora kila wakati.

Marejeo: Recombination iliyoundwa na nanocrystal kwa moduli za tandem za perovskite zote

Maoni ya Ooitech

Ooitech inaamini: miunganisho ya recombination ya nanocrystal ya In₂O₃ iliyoundwa kwa uso pamoja na uhandisi wa HSM wa bulk/interface imesukuma moduli za tandem za perovskite za eneo kubwa hadi ufanisi wa 26.2% uliothibitishwa, ikileta teknolojia hii hatua moja ya maamuzi karibu na ufanyaji biashara.