ความก้าวหน้าด้านประสิทธิภาพที่ได้รับการรับรอง 26.2% ในโมดูลเพอรอฟสไกต์คู่ทั้งหมดพื้นที่ขนาดใหญ่: จุดเชื่อมต่อการรวมตัวแบบอุโมงค์ผลึกนาโน In₂O₃

บทนำ

โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์คู่ทั้งหมดได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งสำหรับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นต่อไป เนื่องจากมีศักยภาพสูงด้านประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม การ商业化ในพื้นที่ขนาดใหญ่ถูกขัดขวางอย่างรุนแรง ในขณะที่อุปกรณ์พื้นที่ขนาดเล็กมีประสิทธิภาพเกิน 30% แล้ว โมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่ (≥20 ซม.²) กลับติดอยู่ที่ประมาณ 24.5% มาเป็นเวลานาน สาเหตุหลักคือการดูดกลืนแสงอินฟราเรดใกล้ที่รุนแรงและความไม่เสถียรทางความร้อนที่ส่วนต่อประสานของโครงสร้าง Au/PEDOT:PSS ในจุดเชื่อมต่อการรวมตัวแบบอุโมงค์ (TRJ) ที่ใช้ทองคำแบบดั้งเดิม รวมถึงการขนส่งประจุที่เสื่อมลงในฟิล์มเพอรอฟสไกต์ Pb-Sn พื้นที่ขนาดใหญ่ที่เกิดจากการตกผลึกที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างการเคลือบด้วยใบมีด

การศึกษานี้พัฒนาทีอาร์เจที่ผ่านกระบวนการสารละลายซึ่งสร้างขึ้นจากผลึกนาโนอินเดียมออกไซด์ที่ปรับแต่งพื้นผิว โดยการปรับเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของผลึกนาโนและเคมีพื้นผิว ทีมงานสามารถบรรลุความโปร่งใสทางแสงสูง อินเทอร์เฟซที่เรียบเนียน และการจัดตำแหน่งระดับพลังงานที่เหมาะสม ในเวลาเดียวกัน ได้มีการเติมสารเติมแต่งชนิดกรดฟอสโฟนิกลงในสารตั้งต้นเพอรอฟสไกต์ Pb-Sn เพื่อปรับปรุงการสัมผัสทางอิเล็กทรอนิกส์กับชั้นรวมตัวของ In₂O₃ เพิ่มการสกัดโฮล และปรับแต่งจลนศาสตร์การตกผลึกเพื่อลดความเครียดตกค้างในฟิล์มพื้นที่ขนาดใหญ่ กลยุทธ์แบบผสมผสานนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรวมตัวของพาหะที่จุดเชื่อมต่อ การสกัดประจุ และความสม่ำเสมอของฟิล์มพื้นที่ขนาดใหญ่ ส่งผลให้ได้ประสิทธิภาพ 26.2% ที่ได้รับการรับรองจาก JET บนพื้นที่รับแสง 65 ซม.² (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) ซึ่งเป็นก้าวสำคัญบนเส้นทางสู่การขยายขนาดเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมด

การออกแบบและข้อดีของทีอาร์เจใหม่

งานนี้นำเสนอทางเลือกที่ผ่านกระบวนการสารละลาย: ทีอาร์เจใหม่ (Type III) ที่สร้างจากผลึกนาโนอินเดียมออกไซด์ที่ปรับแต่งพื้นผิว (In₂O₃ NCs) โดยเปรียบเทียบอย่างเป็นระบบกับโครงสร้าง Type I แบบ Au/PEDOT:PSS แบบดั้งเดิม และโครงสร้าง Type II ที่ใช้ผลึกนาโน ITO เชิงพาณิชย์

โครงสร้างและลักษณะอินเทอร์เฟซ

ผลึกนาโน In₂O₃ ที่สังเคราะห์ขึ้นเองมีขนาดอนุภาคเล็กกว่าผลึกนาโน ITO เชิงพาณิชย์มาก ทำให้เกิดอินเทอร์เฟซที่ฝังตัวเรียบเนียนขึ้น และลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องสัมผัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบทางไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าโครงสร้าง Type III มีพฤติกรรมการสัมผัสแบบโอห์มิกในอุดมคติ โดยไม่มีอุปสรรคในการขนส่งประจุ

ความเสถียรทางแสงและความร้อน

การตรวจสอบทางแสงแสดงให้เห็นว่า PEDOT:PSS ใน Type I ทำให้เกิดการสูญเสียการดูดกลืนแสงแบบพาราซิติกอย่างรุนแรง ในขณะที่ฟิล์ม In₂O₃ NC มีความโปร่งใสทางแสงสูง ภายใต้การเร่งอายุด้วยความร้อนที่ 85°C ประสิทธิภาพของโมดูล Type I ลดลงเหลือต่ำกว่าครึ่งหนึ่งของค่าเริ่มต้นภายใน 50 ชั่วโมง ในขณะที่ Type II และ Type III ที่ใช้ NC ยังคงประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้ได้ประมาณ 75% หลังจาก 200 ชั่วโมง บนซับสเตรตขนาด 10×10 ซม.² ฟิล์ม NC ที่เคลือบด้วยใบมีดแสดงการดูดกลืนแสงที่สม่ำเสมอมากกว่าฟิล์ม Au ที่ระเหยด้วยความร้อนบางมาก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติของผลึกนาโนที่ผ่านกระบวนการสารละลายในการผลิตที่ปรับขนาดได้

การปรับปรุงการผลิตฟิล์มเพอรอฟสไกต์พื้นที่ขนาดใหญ่

เมื่อปัญหาการสูญเสียแสงและความไม่เสถียรของทีอาร์เจได้รับการแก้ไขแล้ว การผลิตฟิล์ม Pb-Sn เพอรอฟสไกต์พื้นที่ขนาดใหญ่ที่สม่ำเสมอจึงกลายเป็นอุปสรรคทางเทคนิคถัดไป ระบบตัวทำละลาย DMF/DMSO ทั่วไปมีจุดเดือดสูงและระเหยช้า ดังนั้นจลนศาสตร์การเกิดนิวเคลียสจึงล่าช้าระหว่างการเคลือบด้วยใบมีดความเร็วสูง ทำให้ยากต่อการสร้างฟิล์มที่สม่ำเสมอบนซับสเตรตขนาดใหญ่

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมงานได้พัฒนาระบบตัวทำละลายแบบไบนารีที่ใช้ 2-methoxyethanol (2-Me) และ tetrahydrofuran (THF) ด้วยจุดเดือดต่ำและความดันไอสูง ระบบนี้จึงเข้าสู่สภาวะอิ่มตัวยวดยิ่งวิกฤตได้อย่างรวดเร็วและเร่งการเกิดนิวเคลียสอย่างเห็นได้ชัด การใช้ระบบนี้ทำให้ความเร็วในการเคลือบใบมีดของ Pb-Sn perovskite เพิ่มขึ้นจาก 5 mm/s ในระบบ DMF แบบดั้งเดิมเป็น 30 mm/s โดยให้ความเข้มของโฟโตลูมิเนสเซนซ์ (PL) ที่สม่ำเสมอสูงและความสอดคล้องของอุปกรณ์ที่ดีเยี่ยมบนพื้นผิวขนาด 10×10 cm² และใหญ่กว่า ซึ่งสามารถเอาชนะความท้าทายด้านจลนศาสตร์การตกผลึกของการเคลือบพื้นที่ขนาดใหญ่ และบรรลุการตรวจสอบประสิทธิภาพเบื้องต้นที่ 17.5% บนพื้นที่รับแสง 65 cm²

วิศวกรรมลิแกนด์พื้นผิวและการจับคู่ระดับพลังงาน

หลังจากกำจัด PEDOT:PSS การสูญเสียทางแสงลดลง แต่แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (VOC) และฟิลแฟกเตอร์ (FF) ลดลง ซึ่งเกิดจากอุปสรรคการขนส่งที่รอยต่อและการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่เพิ่มขึ้นระหว่างชั้น perovskite และชั้น NC เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การศึกษาได้ใช้กลยุทธ์การปรับให้เหมาะสมแบบเสริมฤทธิ์กันสองประการ:

วิศวกรรมลิแกนด์พื้นผิวเพื่อปรับระดับพลังงาน

ผ่านการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ MMES และ MMPA ถูกใช้เพื่อปรับเปลี่ยนพื้นผิวของ In₂O₃ NCs สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (UPS) แสดงให้เห็นว่า In₂O₃ NCs ที่ดัดแปลงด้วย MMPA ทำให้เกิดการโค้งงอของแถบพลังงานที่รอยต่อที่ดีกับฟิล์ม perovskite เป้าหมาย (การโค้งงอขึ้นประมาณ 50 meV) ซึ่งส่งเสริมการดึงโฮลอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่การดัดแปลงด้วย OAm หรือ MMES ทำให้เกิดการโค้งงอลงและอุปสรรคการขนส่ง การทดสอบกระแสจำกัดด้วยประจุพื้นที่ (SCLC) ไม่พบการรบกวนของลิแกนด์ต่อการเคลื่อนที่ของพาหะเอง ซึ่งยืนยันว่าประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นส่วนใหญ่มาจากการจัดตำแหน่งระดับพลังงานที่เหมาะสมที่สุด

การโด๊ปจำนวนมากด้วยวัสดุคัดเลือกโฮลชนิดกรดฟอสโฟนิก (HSM)

ทีมงานได้โด๊ป HSM ชนิดกรดฟอสโฟนิก เช่น MeO-2PACz โดยตรงลงในสารตั้งต้นของ Pb-Sn perovskite (ปรับให้เหมาะสมที่ 0.2 mol%) แทนที่จะจำกัดไว้เฉพาะการปรับเปลี่ยนรอยต่อ กลยุทธ์การโด๊ปจำนวนมากนี้หลีกเลี่ยงปัญหาการปกคลุม SAM ที่ไม่สม่ำเสมอบนพื้นที่ขนาดใหญ่ UPS แสดงให้เห็นว่าหลังจากการโด๊ป HSM ฟังก์ชันงานของ perovskite เปลี่ยนจาก 5.04 eV เป็น 4.81 eV ขอบสูงสุดของแถบวาเลนซ์เลื่อนขึ้น และลักษณะ n-type ลดลง ทำให้จับคู่ระดับพลังงานของ In₂O₃ NCs ได้ดีขึ้น เซลล์ Pb-Sn รอยต่อเดี่ยวที่ไม่มี HTL ที่ได้มีประสิทธิภาพ 23% ในขณะที่อุปกรณ์เคลือบใบมีดที่ใช้ In₂O₃-MMPA NCs เป็นชั้นขนส่งโฮล (HTL) มีประสิทธิภาพการสแกนย้อนกลับ 24.0% โดยมี JSC สูงถึง 33.8 mA cm⁻²

บทบาทหลายประการของ HSM ต่อฟิล์ม perovskite

บทบาทของ HSM ไปไกลเกินกว่าการขนส่งประจุ — มันมีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อการตกผลึกของฟิล์มและการพาสซิเวชันข้อบกพร่อง:

การควบคุมการตกผลึกและการระงับข้อบกพร่อง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) แสดงให้เห็นว่าหลังจากการเติม HSM สิ่งเจือปนแบบเดนไดรต์ที่เดิมตัดผ่านขอบเกรนในฟิล์ม Pb-Sn หายไป ขนาดเกรนเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน และขอบเกรนมีลักษณะ "หลอมรวม" GIWAXS และ XRD ยืนยันว่า HSM สามารถระงับการก่อตัวของเฟสสิ่งเจือปน PbI₂ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ¹H NMR ในสถานะของเหลวเปิดเผยเพิ่มเติมว่า HSM ผ่านการดีโปรตอนแบบเลือกสรร จะบริโภคหมู่ฟอสโฟนิกที่เป็นกรดอิสระ จึงป้องกันการดีโปรตอนที่เป็นกรดของแคตไอออน FA⁺ และทำให้เคมีตั้งต้นมีความเสถียร

พลศาสตร์ของพาหะที่ดีขึ้น

สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนชั่วคราว (TAS) แสดงให้เห็นว่าการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่อาศัยข้อบกพร่องถูกระงับอย่างเห็นได้ชัดหลังจากการเติม HSM ความเข้มของ PL ในสถานะคงที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว อายุการใช้งาน PL เฉลี่ยขยายจาก 1042 ns เป็น 1889 ns โดยมีการพาสซิเวชันที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษที่อินเทอร์เฟซด้านล่าง ซึ่งลดการดักจับประจุที่อินเทอร์เฟซที่ฝังอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ สเปกโทรสโกปี OPTP แสดงให้เห็นว่าความคล่องตัวของพาหะของฟิล์มเป้าหมายเพิ่มขึ้นจาก 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ เป็น 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ และความยาวการแพร่เพิ่มขึ้นจาก 2.65 μm เป็น 4.78 μm ซึ่งยืนยันการปรับปรุงคุณภาพฟิล์มโดยรวม

ประสิทธิภาพและความเสถียรของโมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่

จากกลยุทธ์การทำงานร่วมกันเหล่านี้ ทีมงานได้สร้างโมดูลแท่นเดมเปอร์รอฟสไกต์ทั้งหมดที่มีพื้นที่รับแสง 65 cm² (14 เซลล์ย่อยต่ออนุกรม) โมดูลแชมเปียนที่ใช้ TRJ แบบ Type III (In₂O₃-MMPA) มีประสิทธิภาพที่วัดในห้องปฏิบัติการ 26.6% (การสแกนย้อนกลับ) โดยมี VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻² และ FF 78.2% ประสิทธิภาพที่เสถียรซึ่งได้รับการรับรองจาก JET อยู่ที่ 26.2% ซึ่งดีกว่าโมดูลควบคุมที่ใช้ TRJ แบบ Type I ทั่วไป (24.8%) อย่างชัดเจน หลังจากปรับพื้นที่ตายให้เหมาะสม ปัจจัยการเติมเชิงเรขาคณิตสูงถึง 96.5% ทำให้ประสิทธิภาพพื้นที่ทำงานเทียบเท่าสูงถึง 27.6% การทำแผนที่เชิงพื้นที่ของ EQE แสดงให้เห็นว่า ที่ตำแหน่งต่างๆ 16 ตำแหน่ง ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้ารวมของเซลล์ย่อยด้านบนและด้านล่างเฉลี่ย 16.3 และ 16.2 mA cm⁻² ตามลำดับ ซึ่งสอดคล้องกับผล J-V อย่างใกล้ชิด และทั้งสองค่าทำลายคอขวดของโมดูลที่รายงานก่อนหน้านี้ที่ต่ำกว่า 15 mA cm⁻²

ในด้านความน่าเชื่อถือ ตามมาตรฐาน IEC 61215:2021 โมดูล Type III ที่ถูกห่อหุ้มมีอายุการใช้งาน T90 (คงประสิทธิภาพเริ่มต้น 90%) ที่ 771 ชั่วโมงภายใต้การติดตาม MPP 1-sun อย่างต่อเนื่อง และยังคงประสิทธิภาพ 82.5% หลังจาก 1000 ชั่วโมง ในการทดสอบความร้อนชื้นที่ 85°C/85% RH (ISOS-D-3) โมดูล Type III มีอายุการใช้งาน T84 เฉลี่ย 1000 ชั่วโมง ในขณะที่โมดูล Type I ลดลงต่ำกว่า 40% แล้ว ในการทดสอบการหมุนเวียนความร้อน -40°C ถึง 85°C (ISOS-T-3) โมดูล Type III คงประสิทธิภาพเริ่มต้น 93% หลังจาก 200 รอบ การทดสอบเร่งอายุทั้งหมดยืนยันว่าความเสถียรที่โดดเด่นของ Type III มาจากการกำจัดปัจจัยความไม่เสถียรที่เกิดจาก PEDOT:PSS อย่างสมบูรณ์

ผ่านจุดเชื่อมต่อการรวมตัวของผลึกนาโน In₂O₃ ที่ออกแบบทางพื้นผิวและวิศวกรรม HSM แบบซินเนอร์จีทั้งในมวลและส่วนต่อประสาน งานนี้ประสบความสำเร็จในการได้รับโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมดที่ได้รับการรับรองประสิทธิภาพ 26.2% บนพื้นที่รับแสง 65 ตารางเซนติเมตร ซึ่งเป็นการก้าวกระโดดที่ครอบคลุมในด้านขนาดโมดูล ประสิทธิภาพ และความเสถียรในการทำงาน งานนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในเชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมด ในอนาคต การขยายพื้นที่โมดูลเกิน 800 ตารางเซนติเมตรจะต้องอาศัยการปรับกระบวนการเคลือบ เช่น slot-die coating ร่วมกับวิธีการต่างๆ เช่น vacuum-assisted crystallization เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตเซลล์ย่อยแบบแถบกว้างและแถบแคบพื้นที่ขนาดใหญ่มีคุณภาพสูงและสม่ำเสมอ

อุปกรณ์อ้างอิงและทดสอบ

เครื่องทดสอบ MPPT เพอรอฟสไกต์แบบผสมที่ใช้เครื่องจำลองแสงอาทิตย์ LED เกรด A+AA+ เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการเร่งอายุ ให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ผ่านเทคโนโลยีขั้นสูงและการออกแบบที่ใช้งานได้หลากหลาย เครื่องมือดังกล่าวใช้สำหรับการทดสอบความเสถียรของเซลล์เพอรอฟสไกต์แบบเดี่ยวและแบบแท่นเดี่ยวที่เสร็จสมบูรณ์ เนื่องจากคุณลักษณะเอาต์พุตของเซลล์เพอรอฟสไกต์ได้รับผลกระทบจากปัจจัยแวดล้อม เช่น แสงและอุณหภูมิ จุดกำลังสูงสุดจึงผันผวนบ่อยครั้ง ตัวควบคุม MPPT จะติดตามและล็อกจุดกำลังสูงสุดแบบเรียลไทม์ ทำให้ระบบทำงานที่กำลังไฟฟ้าเอาต์พุตสูงสุดเสมอ

อ้างอิง: การรวมตัวที่ปรับแต่งด้วยผลึกนาโนสำหรับโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมด

มุมมองของ Ooitech

Ooitech เชื่อว่า: จุดเชื่อมต่อการรวมตัวของผลึกนาโน In₂O₃ ที่ออกแบบทางพื้นผิวควบคู่กับวิศวกรรม HSM ทั้งในมวลและส่วนต่อประสานได้ผลักดันโมดูลแบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมดพื้นที่ขนาดใหญ่ให้มีประสิทธิภาพที่ได้รับการรับรอง 26.2% ทำให้เทคโนโลยีนี้เข้าใกล้การ商业化 อย่างเด็ดขาด