บทนำ

โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์คู่ทั้งหมดได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งสำหรับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นใหม่ เนื่องจากมีศักยภาพสูงด้านประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม การ商业化ในพื้นที่ขนาดใหญ่ยังคงถูกจำกัดอย่างมาก แม้ว่าอุปกรณ์พื้นที่ขนาดเล็กจะมีประสิทธิภาพเกิน 30% แล้ว แต่โมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่ (≥20 ตารางเซนติเมตร) ยังคงติดอยู่ที่ประมาณ 24.5% มาเป็นเวลานาน สาเหตุหลักคือการดูดกลืนแสงพาราสิติกในย่านอินฟราเรดใกล้ที่รุนแรงและความไม่เสถียรทางความร้อนของส่วนต่อประสานของโครงสร้าง Au/PEDOT:PSS ในจุดเชื่อมต่อการรวมตัวแบบอุโมงค์ (TRJ) ที่ใช้ทองคำแบบดั้งเดิม รวมถึงการขนส่งประจุที่เสื่อมสภาพในฟิล์มเพอรอฟสไกต์ Pb-Sn พื้นที่ขนาดใหญ่ที่เกิดจากการตกผลึกที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างการเคลือบด้วยใบมีด

การศึกษานี้พัฒนา TRJ ที่ผ่านกระบวนการสารละลายซึ่งสร้างขึ้นจากผลึกนาโน In₂O₃ ที่ผ่านการปรับแต่งพื้นผิว โดยการปรับแต่งสัณฐานวิทยาของผลึกนาโนและเคมีพื้นผิว ทีมงานสามารถบรรลุความโปร่งใสทางแสงสูง อินเทอร์เฟซที่เรียบเนียน และการจัดแนวระดับพลังงานที่เหมาะสม ในเวลาเดียวกัน ได้มีการเติมสารเติมแต่งประเภทกรดฟอสโฟนิกลงในสารตั้งต้นของเพอรอฟสไกต์ Pb-Sn เพื่อปรับปรุงการสัมผัสทางอิเล็กทรอนิกส์กับชั้นรวมตัวใหม่ In₂O₃ เพิ่มการสกัดโฮล และปรับแต่งจลนศาสตร์การตกผลึกเพื่อลดความเครียดตกค้างในฟิล์มพื้นที่ขนาดใหญ่ กลยุทธ์แบบผสมผสานนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรวมตัวของพาหะที่รอยต่อ 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

การออกแบบและข้อดีของ TRJ ใหม่

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

โครงสร้างและลักษณะอินเทอร์เฟซ

In₂O₃ NCs ที่สังเคราะห์ขึ้นเองมีขนาดอนุภาคเล็กกว่า ITO NCs เชิงพาณิชย์มาก ทำให้เกิดอินเทอร์เฟซที่ฝังตัวเรียบเนียนขึ้น และลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่สัมผัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบทางไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าโครงสร้าง Type III มีพฤติกรรมการสัมผัสแบบโอห์มมิกในอุดมคติ โดยไม่มีอุปสรรคในการขนส่งประจุ

ความเสถียรทางแสงและความร้อน

การตรวจสอบทางแสงแสดงให้เห็นว่า PEDOT:PSS ใน Type I ทำให้เกิดการสูญเสียการดูดกลืนแสงแบบปรสิตอย่างรุนแรง 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 บนพื้นผิวขนาด 10×10 ซม.² ฟิล์ม NC ที่เคลือบด้วยใบมีดแสดงการดูดกลืนแสงที่สม่ำเสมอมากกว่าฟิล์ม Au ที่ระเหยด้วยความร้อนบางมาก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติของผลึกนาโนที่ผ่านกระบวนการสารละลายในการผลิตที่ปรับขนาดได้

การปรับปรุงการผลิตฟิล์มเพอรอฟสไกต์พื้นที่ขนาดใหญ่

เมื่อปัญหาการสูญเสียทางแสงและความไม่เสถียรของ TRJ ได้รับการแก้ไขแล้ว การผลิตฟิล์ม Pb-Sn เพอรอฟสไกต์พื้นที่ขนาดใหญ่ที่สม่ำเสมอกลายเป็นอุปสรรคทางเทคนิคถัดไป ระบบตัวทำละลาย DMF/DMSO ทั่วไปมีจุดเดือดสูงและระเหยช้า ดังนั้นจลนศาสตร์การเกิดนิวเคลียสจึงล่าช้าระหว่างการเคลือบด้วยใบมีดความเร็วสูง ทำให้ยากต่อการสร้างฟิล์มที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวขนาดใหญ่

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

วิศวกรรมลิแกนด์พื้นผิวและการจับคู่ระดับพลังงาน

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

วิศวกรรมลิแกนด์พื้นผิวเพื่อปรับระดับพลังงาน

ผ่านการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ MMES และ MMPA ถูกใช้เพื่อปรับเปลี่ยนพื้นผิวของ In₂O₃ NCs สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (UPS) แสดงให้เห็นว่า In₂O₃ NCs ที่ดัดแปลงด้วย MMPA ทำให้เกิดการโค้งงอของแถบพลังงานที่ส่วนต่อประสานกับฟิล์ม perovskite เป้าหมายได้ดี (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%) แทนที่จะจำกัดไว้เฉพาะการปรับเปลี่ยนส่วนต่อประสาน กลยุทธ์การโด๊ปจำนวนมากนี้หลีกเลี่ยงปัญหาการครอบคลุม SAM ที่ไม่สม่ำเสมอบนพื้นที่ขนาดใหญ่ UPS แสดงให้เห็นว่าหลังจากการโด๊ป HSM ฟังก์ชันงานของ perovskite เปลี่ยนจาก 5.04 eV เป็น 4.81 eV ค่าสูงสุดของแถบวาเลนซ์เลื่อนขึ้น และลักษณะ n-type ลดลง ทำให้จับคู่ระดับพลังงานของ In₂O₃ NCs ได้ดีขึ้น เซลล์ Pb-Sn รอยต่อเดี่ยวแบบไม่มี 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:

การควบคุมการตกผลึกและการยับยั้งข้อบกพร่อง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) แสดงให้เห็นว่าหลังจากการเติม HSM สิ่งเจือปนรูปเดนไดรต์ที่เดิมตัดผ่านขอบเกรนในฟิล์ม Pb-Sn หายไป ขนาดเกรนเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน และขอบเกรนมีลักษณะ "หลอมรวม" GIWAXS และ XRD ยืนยันว่า HSM ยับยั้งการก่อตัวของเฟสสิ่งเจือปน PbI₂ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ¹H NMR ในสถานะของเหลวเปิดเผยเพิ่มเติมว่า HSM ผ่านการดีโปรตอนแบบเลือก จะบริโภคหมู่ฟอสโฟนิกที่เป็นกรดอิสระ จึงป้องกันการดีโปรตอนที่เป็นกรดของ FA⁺ แคตไอออน และทำให้เคมีตั้งต้นมีความเสถียร

พลศาสตร์ของพาหะที่ดีขึ้น

สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนชั่วคราว (TAS) แสดงให้เห็นว่าการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่อาศัยข้อบกพร่องถูกยับยั้งอย่างชัดเจนหลังจากการเติม HSM ความเข้มของ PL ในสภาวะคงที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว อายุการใช้งาน PL เฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 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

จากกลยุทธ์เสริมฤทธิ์เหล่านี้ ทีมงานได้สร้างโมดูลแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมดที่มีพื้นที่รับแสง 65 cm² (14 เซลล์ย่อยต่ออนุกรม) โมดูลแชมเปียนที่ใช้ TRJ แบบ Type III (In₂O₃-MMPA) มีประสิทธิภาพที่วัดในห้องปฏิบัติการ 26.6% (สแกนย้อนกลับ) โดยมี VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻² และ FF 78.2% ประสิทธิภาพที่เสถียรซึ่งรับรองโดย JET สูงถึง 26.2% ซึ่งดีกว่าโมดูลควบคุมที่ใช้ TRJ แบบ Type I ทั่วไป (24.8%) อย่างชัดเจน หลังจากปรับพื้นที่ตายให้เหมาะสม ค่าตัวประกอบการเติมเชิงเรขาคณิตสูงถึง 96.5% ทำให้ประสิทธิภาพพื้นที่แอคทีฟเทียบเท่าสูงถึง 27.6% การทำแผนที่เชิงพื้นที่ของ EQE แสดงให้เห็นว่า ที่ตำแหน่งต่างๆ 16 ตำแหน่ง ความหนาแน่นกระแสที่รวมกันของเซลล์ย่อยด้านบนและด้านล่างเฉลี่ย 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 แสง 1 ดวงอย่างต่อเนื่อง 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

ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมพื้นผิวของรอยต่อรวมตัวผลึกนาโน In₂O₃ และการออกแบบทางวิศวกรรม HSM แบบรวมกลุ่ม/ส่วนต่อประสาน งานนี้ประสบความสำเร็จในการได้รับโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมดที่มีประสิทธิภาพรับรอง 26.2% บนพื้นที่รับแสง 65 ตารางเซนติเมตร ซึ่งเป็นการก้าวกระโดดที่ครอบคลุมในด้านขนาดโมดูล ประสิทธิภาพ และความเสถียรในการทำงาน งานนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการ商业化ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมด ในอนาคต การขยายพื้นที่โมดูลเกิน 800 ตารางเซนติเมตรจะต้องอาศัยการปรับกระบวนการเคลือบเช่น slot-die coating ร่วมกับวิธีการเช่น vacuum-assisted crystallization เพื่อให้ได้การผลิตเซลล์ย่อยแบบ wide-bandgap และ narrow-bandgap ที่มีคุณภาพสูงและสม่ำเสมอในพื้นที่ขนาดใหญ่

อุปกรณ์อ้างอิงและทดสอบ

เครื่องทดสอบ MPPT แบบคอมโพสิตเพอรอฟสไกต์ที่ใช้เครื่องจำลองแสงอาทิตย์ LED เกรด A+AA+ เป็นแหล่งเร่งอายุ ให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ผ่านเทคโนโลยีขั้นสูงและการออกแบบที่หลากหลาย เครื่องมือดังกล่าวใช้สำหรับการทดสอบความเสถียรของเซลล์เพอรอฟสไกต์แบบเดี่ยวและแบบแท่นเดี่ยวที่เสร็จสมบูรณ์ เนื่องจากคุณลักษณะเอาต์พุตของเซลล์เพอรอฟสไกต์ได้รับผลกระทบจากปัจจัยแวดล้อมเช่นแสงและอุณหภูมิ จุดกำลังสูงสุดจึงผันผวนบ่อยครั้ง ตัวควบคุม MPPT จะติดตามและล็อกจุดกำลังสูงสุดแบบเรียลไทม์ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำงานที่กำลังไฟฟ้าสูงสุดเสมอ

อ้างอิง: การรวมตัวของผลึกนาโนที่ปรับแต่งสำหรับโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมด

มุมมองของ Ooitech

Ooitech เชื่อว่า: รอยต่อรวมตัวผลึกนาโน In₂O₃ ที่ออกแบบทางวิศวกรรมพื้นผิวร่วมกับการออกแบบทางวิศวกรรม HSM แบบรวมกลุ่ม/ส่วนต่อประสาน ได้ผลักดันโมดูลแบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ทั้งหมดพื้นที่ขนาดใหญ่ให้มีประสิทธิภาพรับรอง 26.2% ทำให้เทคโนโลยีนี้เข้าใกล้การ商业化อย่างเด็ดขาด