Seli za Perovskite/Silicon Tandem: Tabaka la Kuunganisha la ITO la 8nm Linafikia Ufanisi wa 31.80%

Utangulizi wa Bidhaa

Seli za jua za perovskite/silicon tandem monolithic ni mojawapo ya njia zilizo wazi zaidi kupita kikomo cha ufanisi cha vifaa vya single-junction. Seli ya juu na seli ya chini zimeunganishwa kwa mfululizo kupitia safu ya muunganisho ya recombination, na ubora wa kiolesura hicho huamua kama wabebaji wanaweza kusafirishwa na kuunganishwa upya kwa urahisi. Shida iko kwenye uso wa micro-pyramid uliochongwa wa seli ya chini ya silicon heterojunction (SHJ). Piramidi zina urefu wa takriban 600 nm, na kwenye eneo hilo safu ya recombination inapata hasara ya optical parasitic wakati self-assembled monolayer (SAM) haienei sawasawa. Kwa muda, hii hushusha utendaji wa kifaa.

Kazi hii ilipima safu za muunganisho za indium tin oxide (ITO) zenye unene wa 2 hadi 30 nm na kugundua kuwa safu nyembamba sana ya 8 nm inafanya kazi vizuri zaidi katika mambo mawili kwa wakati mmoja: kupunguza hasara ya optical na kuboresha usawa wa uwezo wa uso. Mara tu marekebisho ya NiOx na Poly-SAM functionalization yalipowekwa juu, msongamano wa sasa wa mzunguko mfupi ulipanda kwa 0.85 mA cm⁻² kufikia 20.82 mA cm⁻², ufanisi wa ubadilishaji wa nishati ulifikia 31.80%, na baada ya saa 500 za ufuatiliaji wa kiwango cha juu cha nishati kifaa bado kilikuwa na 96% ya ufanisi wake wa awali.

Mbinu ya Majaribio

Seli ya chini ya SHJ ilitumia silicon wafers za aina ya n, zenye unene wa 110 ± 10 µm, zilizochongwa kwa KOH pande zote mbili kuwa piramidi zenye urefu wa takriban 600 nm. Baada ya kusafisha kwa RCA, PECVD iliweka safu za passivation na doped kwa mfululizo: upande wa mbele ulipata 8 nm intrinsic a-Si:H(i) pamoja na 15 nm n-type nc-SiOx:H(n), upande wa nyuma ulipata 8 nm p-type a-Si:H(p), kisha 110 nm ITO ilisputtered na 700 nm Ag ikavukizwa kwa mvuke nyuma. Upande wa mbele, unene sita wa muunganisho wa ITO uliwekwa tofauti: 2, 5, 8, 10, 20 na 30 nm, zilizochomwa kwa joto la 180°C na kuchongwa kwa laser.

Seli ya juu ya perovskite ilifuata njia hii. Seli ya chini iliannealiwa na kutibiwa kwa UV-ozone kwanza, kisha NiOx iliwekwa kwa magnetron sputtering, ikifuatiwa na anneal nyingine na hatua ya UV-ozone. Ndani ya glovebox ya nitrojeni, Poly-SAM ilipangwa kwa spin-coating (0.5 mg mL⁻¹, kutengenezea methanol na chlorobenzene kwa 1:1) na kuanneliwa kwa 100°C. Perovskite ilikuwa Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ yenye bandgap ya 1.68 eV, iliyopangwa kwa spin-coating kwa hatua mbili, na chlorobenzene ikidondoshwa kama antisolvent wakati wa hatua ya kasi ya juu na kuokwa kwa 100°C kwa dakika 20. Uso ulirekebishwa kwa PDADI, kisha C₆₀ ilivukizwa kwa joto, SnO₂ ilikuzwa kwa ALD, IZO ya 45 nm ilipangwa kwa sputtering, elektrodi za Ag zilivukizwa, na hatimaye filamu ya MgF₂ ya kuzuia mwanga ilifunika muundo.

Faida za Kiufundi

Sifa za Optoelektroniki za Tabaka la Interconnect la ITO

(a) Rsh, Ne na µ dhidi ya unene (n = 10); (b) ufyonzaji wa macho na uakisi wa tabaka la ITO; (c) kazi ya kazi dhidi ya unene; (d) mabadiliko ya kazi ya kazi (ΔWF) kabla na baada ya matibabu ya NiOx kwa unene tofauti; (e) mchoro wa usambazaji wa SAM kwenye ITO iliyorekebishwa na NiOx; (f) ramani za uwezo wa uso wa KPFM za interconnect ITO ya 2–30 nm; (g) ramani za uwezo wa uso wa KPFM za interconnect ITO ya 8 nm kabla na baada ya utendaji wa NiOx na Poly-SAM.

Vipimo vya athari ya Hall vilionyesha upinzani wa karatasi ukipungua kadiri unene wa filamu uliongezeka, ambayo ni kile ungetarajia. Mkusanyiko wa wabebaji ulibaki thabiti kati ya 8 na 30 nm, karibu 2.8 hadi 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, lakini ukishuka chini ya 8 nm unaanza kupungua. Uhamaji ulipungua kidogo tu katika dirisha nyembamba la 2 hadi 8 nm, ishara kwamba uadilifu wa filamu ulikuwa bado intact. 8 nm inatua mahali pazuri ambapo upinzani wa karatasi ni wa chini vya kutosha na utendaji wa umeme haujaanguka.

(a) Wigo wa XPS wa azimio la juu la O 1s uliofungwa kwa kilele wa tabaka la ITO kwenye uso wa seli ya chini ya c-Si yenye maandishi. (b) Wigo wa XPS wa azimio la juu la tabaka la ITO la 8 nm kwenye seli ya chini ya c-Si yenye maandishi kabla na baada ya marekebisho ya NiOx. (c) Picha ya SEM ya sehemu ya msalaba ya tabaka la ITO la 8 nm kwenye seli ya chini ya c-Si yenye maandishi. (d) Ramani za elementi za EDS zinazolingana za eneo lililolengwa la sampuli ya ITO ya 8 nm, na ufunguo wa rangi-elementi ukiwa juu kulia.

Kwa upande wa macho, kupunguza unene wa ITO kulipunguza uakisi na ufyonzaji juu ya 450 nm, kutokana na mwingiliano wa uharibifu pamoja na ufyonzaji hafifu wa wabebaji huru.

• UPS ilionyesha kazi ya kazi ikiongezeka kadiri unene ulipungua, na baada ya marekebisho ya NiOx na kuweka joto mabadiliko ya kazi ya kazi yalifikia kilele cha 8 nm.

• Uchunguzi wa eneo wa KPFM ulifichua kuwa ITO ya chini ya 10 nm ilizuia sehemu zote za shunt za ndani, huku 8 nm ikitoa usawa bora.

• XPS iligundua jambo la kuvutia: uso wa ITO wa 8 nm ulikuwa na msongamano mkubwa wa haidroksili kuliko ule wa 20 nm, na haidroksili hizo ziliunda vifungo vya daraja vya In─O─Ni na NiOx, hivyo kuruhusu NiOx kuenea kwa usawa zaidi na kushikamana kwa nguvu zaidi. Baada ya marekebisho ishara ya In ilitoweka kabisa, jambo linaloonyesha ubora wa safu ya mfuniko ulikuwa bora na uliweka msingi mzuri kwa kujikusanya kwa SAM kunakofuata.

• SEM na EDS pia zilithibitisha kuwa ITO ya 8 nm ilitoa mfuniko unaofaa juu ya muundo.

Utendaji wa Photovoltaic wa Seli ya Tandem

(a) Mabadiliko ya Jsc katika seli za tandem za perovskite/silicon; (b) mabadiliko ya Voc; (c) mabadiliko ya FF; (d) mabadiliko ya PCE; (e) picha ya SEM ya sehemu ya msalaba ya seli ya tandem kwenye ITO; (f) muundo wa XRD wa filamu ya perovskite kwenye ITO; (g) wigo wa PL wa hali thabiti wa filamu ya perovskite kwenye ITO; (h) mikondo ya PL ya hali thabiti iliyorekebishwa; (i) mionzi ya TRPL ya muda mfupi ya filamu ya perovskite kwenye ITO; (j) picha ya photoluminescence ya seli ya tandem, eneo tendaji 0.928 cm².

Unene wote sita wa muunganisho wa ITO ulipitia upimaji wa J-V.

• Chini ya 5 nm, Voc na FF zilishuka sana. Voc haikuweza kusukumwa zaidi ya 1.7 V na PCE ilifikia 21.68% tu, hasa kwa sababu filamu ilikuwa tayari haijakamilika kwenye muundo wa piramidi.

• 8 nm ilikuwa jibu bora. SEM ya sehemu ya msalaba ilionyesha nafaka za perovskite kubwa na mnene zaidi kwenye ITO nyembamba sana (chini ya 10 nm), na XRD ilithibitisha ubora bora wa fuwele, ingawa sampuli ya 5 nm ilitoa kilele cha PbI₂, ishara kwamba uharibifu ulikuwa umeanza. Nguvu ya PL ya hali thabiti ilipanda kutoka 30 nm hadi 8 nm, kisha ikaanguka tena, hivyo 8 nm ilikaa kwenye kilele, ikilingana na msongamano mdogo wa kasoro.

• Kilele cha tabia cha PL iliyorekebishwa hakikuhama, ikimaanisha asili ya muunganisho usio na mionzi wa kiolesura ilibaki sawa. Maisha ya wabebaji wa TRPL pia yalikuwa marefu zaidi kwa 8 nm. Matokeo haya yanatokana na dipole halisi yenye nguvu zaidi na kazi ya kazi iliyo sawa zaidi inayoletwa na Poly-SAM, ikipandisha Voc na FF pamoja. Upigaji picha wa PL pia ulifichua kutofautiana kwa chini ya mikroni ndani ya seli ndogo ya perovskite, lakini safu nyembamba sana ya ITO yenye upinzani mkubwa ina upinzani mkubwa wa kando, hivyo ufikiaji wa shunt ya ndani ulizuiliwa kwa ufanisi na haukuweza kuangusha kifaa kizima.

Uboreshaji wa Msongamano wa Sasa

(a) Mikondo ya EQE ya seli ndogo za perovskite na silicon chini ya safu ya muunganisho ya ITO ya nm 8; (b) mikondo ya EQE ya seli za tandem za awali na zilizoboreshwa.

Safu ya mbele ya IZO ilipimwa kwa kigezo cha ubora Aw × Rsheet⁻¹, na nm 45 ilitokea bora zaidi. Kupunguza unene wa ITO ya muunganisho kutoka nm 20 hadi nm 10 hadi nm 8 kulisukuma wastani wa Jsc kutoka 19.78 hadi 19.96 hadi 20.55 mA cm⁻². Msongamano wa sasa uliounganishwa na EQE wa seli ndogo za perovskite na silicon ulikuwa 20.64 na 20.51 mA cm⁻² mtawalia, sambamba na data ya J-V. Ikilinganishwa na ITO ya nm 20, nm 8 iliipa seli ndogo ya perovskite nyongeza ya 0.06 mA cm⁻² na seli ndogo ya silicon nyongeza ya 0.47, huku mchango wa karibu-infrared kutoka seli ya chini ya silicon ukipata faida kubwa zaidi.

Matumizi ya Bidhaa

Utendaji na Uimara wa Kifaa

(a) Muundo wa mchoro na picha ya seli ya sola ya tandem ya perovskite/silicon; (b) picha ya SEM ya sehemu ya msalaba ya seli ya tandem; (c) mikondo ya J-V ya seli ndogo za perovskite na silicon za muunganisho mmoja; (d) mchoro wa kiwakilishi wa J-V wa seli ya utendaji wa juu; (e) mabadiliko ya Rs katika seli za tandem za perovskite/silicon zilizojengwa kwenye safu za muunganisho za ITO za nm 30 hadi nm 2; (f) matokeo ya jaribio la MPPT la seli ya tandem iliyofungwa chini ya mwanga wa jua 1.

Mara unene wa muunganisho wa ITO ulipowekwa sawa, wastani wa PCE wa vifaa vya tandem ulipanda kutoka 28.64% hadi 30.67%. ITO ya nm 2 ilikuwa na upinzani wa mfululizo Rs wa hadi 41.26 Ω, hivyo muunganisho wa mfululizo ulikuwa umekatika kimsingi. Rs ya nm 8 ilikuwa chini sana, kizuizi cha ndani kilipungua, na upotevu wa voltage karibu na kiwango cha juu cha nguvu ulipungua. Kuhusu uimara, seli ya tandem ya ITO ya nm 8 ilishikilia 96% ya PCE yake ya awali baada ya saa 500 za MPPT, wakati ile ya nm 20 ilishikilia 90% tu, ikiweka miongoni mwa zilizo imara zaidi katika familia ya muunganisho wa TCO/SAM. Kwa nini imara hivyo? Ufunikaji wa Poly-SAM ni mkubwa, na ukaushaji wa perovskite unaboreshwa pamoja nao.

Maeneo yanayofunikwa na SAM yana nishati ya uso ya chini, na makundi ya asidi ya fosfoniki yanaratibu na Pb²⁺ na FA⁺, yakiongoza perovskite kukua polepole na kwa mpangilio, hivyo nafaka hutoka kubwa. Kwenye maeneo ya ITO wazi hakuna athari kama hiyo ya kiolezo, uundaji wa viini hukimbia haraka na bila mpangilio, na nafaka huishia ndogo na mipaka mingi ya nafaka. Zaidi ya hayo, Poly-SAM hupitisha bondi zisizojaa na nafasi za halidi kwenye kiolesura, uhamaji wa halidi hukandamizwa, na uharibifu hupungua. Uwezo wa uso unaofanana ambao ITO nyembamba sana yenyewe huleta husaidia pia, na kwa sababu kadhaa kukusanyika pamoja maisha ya kifaa huongezeka.

Upimaji wa uthabiti wa MPPT hapa unategemea kiiga-jua cha LED cha daraja la 3A+ kama chanzo cha mwanga wa kuzeesha, ambacho kinaweza kudhibiti joto la seli na angahewa inayozunguka kwa njia kadhaa ili kufanya upimaji wa uthabiti wa muda mrefu.

Hitimisho na Mtazamo

8 nm ni unene bora wa kiunganishi cha ITO kwa seli za perovskite/silicon tandem. Unene huu huinua ubora wa fuwele za perovskite na kuzuia ufyonzaji wa vimelea. Baada ya marekebisho ya NiOx na uamilishaji wa Poly-SAM, uwezo wa uso huongezeka kuwa unaofanana zaidi na mabadiliko ya kazi ya kazi huonekana zaidi. Uso wa ITO wa 8 nm hubeba hidroksili nyingi zaidi, NiOx huenea sawasawa, SAM hujipanga kwa msongamano, na ufunikaji wa kufuata juu ya muundo ulithibitishwa na SEM na EDS. Ikilinganishwa na ITO ya kawaida ya 20 nm, kifaa kilichoboreshwa kilifikia ufanisi bora wa 31.80%, na Jsc ikiongezeka kwa 0.85 mA cm⁻² na 96% ya ufanisi wa awali kubaki baada ya saa 500 za MPPT.

Kwa mtazamo wa mbele, bado kuna mengi ya kuboresha. Muundo wa nyuma na kiakisi cha macho vinaweza kuboreshwa zaidi ili kuimarisha mtego wa mwanga kwenye seli ya chini ya silicon, kuongeza mkondo wake, na kufikia ulinganifu wa mkondo. FF na Voc bado ni vikwazo vinavyozuia ufanisi wa jumla, hivyo mikakati ya upitishaji wa mguso inahitaji kwenda ndani zaidi. Miundo mbadala ya kiunganishi kama vile njia za tunnel zenye msingi wa silicon inafaa kujaribiwa pia. Linapokuja suala la kupanua hadi uzalishaji, unene wa TCO na muundo wa gridi ya metallization lazima virekebishwe pamoja, ili juu ya maeneo makubwa kivuli kisizidi kuwa kizito na upitishaji wa kando usidhoofike. Na kwa safu nyembamba zaidi, matumizi ya indium hupungua, hivyo uendelevu unanufaika pia.

Maoni ya Ooitech

Kinachojitokeza hapa ni kwamba nanomita chache za ITO zinaweza kubadilisha macho na ukaushaji kwenye muundo huo wa piramidi wa 600 nm, na tatizo hilo hilo la ufunikaji unaofanana ndilo linalojitokeza wakati mistari ya tandem inapohama kutoka kwa kuponi za maabara hadi moduli za ukubwa kamili. Kwenye sakafu ya uzalishaji, hatua za tabber-stringer, layup na lamination zote zinapaswa kuheshimu miunganisho hii dhaifu na miingiliano ya SAM, ambapo vifaa vya mstari wa moduli vilivyorekebishwa vizuri na vinavyofanana hupata thamani yake. Ikiwa unataka kuona jinsi michakato hii inavyoonekana kwa kiwango halisi cha kiwanda, chaneli ya YouTube ya Ooitech ipo www.youtube.com/ooitech inafaa kufuatiliwa.