ประสิทธิภาพ 33.25%, การรักษา MPPT 96% หลัง 1000 ชั่วโมง: All-ALD SnOx/AZO Bilayer ยับยั้งปฏิกิริยาอินเทอร์เฟซใน Perovskite/Silicon Tandems

แนะนำผลิตภัณฑ์

เซลล์แท่นเดม perovskite/ซิลิคอนมีประสิทธิภาพถึง 35% แล้ว ปัญหาคือความเสถียร อุปกรณ์เหล่านี้ยังห่างไกลจากอายุการใช้งาน 25 ปีที่การค้าต้องการ และสาเหตุหลักอยู่ที่ส่วนต่อประสาน ประจุสะสมที่นั่น และการสะสมนั้นกระตุ้นปฏิกิริยารีดอกซ์และการเคลื่อนที่ของไอออน

ชั้นขนส่งอิเล็กตรอน ALD-SnOx ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายประสบปัญหาการแลกเปลี่ยนความหนาเนื่องจากความต้านทานสูง หนาเกินไป ความต้านทานอนุกรมจะเพิ่มขึ้น บางเกินไป ไม่สามารถป้องกันความเสียหายจากการสปัตเตอร์หรือการแพร่ของไอออนได้ เพื่อศึกษานี้ เครื่องทดสอบ MPPT คอมโพสิต perovskite ที่ใช้เครื่องจำลองแสงอาทิตย์ LED เกรด AAA+ เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการเสื่อมสภาพ สามารถควบคุมอุณหภูมิเซลล์ได้หลายวิธีและจัดการสภาพแวดล้อมโดยรอบ ทำการทดสอบความเสถียรระยะยาว

งานนี้สร้างชั้นสองชั้น SnOx/AZO ด้วยกระบวนการ ALD ทั้งหมด ชั้น SnOx ที่บางมากรักษาการจัดแนวแถบพลังงาน ในขณะที่ชั้น AZO ที่นำไฟฟ้าให้เส้นทางความต้านทานต่ำและทำหน้าที่เป็นเกราะหนาแน่น ซึ่งแยกการดึงประจุและการปิดกั้นทางกายภาพออกเป็นสองงานแยกกัน เซลล์ perovskite แถบกว้างรอยต่อเดี่ยวที่มีโครงสร้างนี้มีประสิทธิภาพ 23.47% และอุปกรณ์แท่นเดมมีประสิทธิภาพ 33.25% หลังจากให้แสงต่อเนื่อง 1,000 ชั่วโมง พวกเขายังคงประสิทธิภาพเริ่มต้น 96% ซึ่งสนับสนุนกลยุทธ์ส่วนต่อประสาน

พารามิเตอร์ทางเทคนิค

ข้อมูลจำเพาะของเครื่องทดสอบ MPPT คอมโพสิต Perovskite

ข้อได้เปรียบทางเทคนิค

การผลิตชั้นสองชั้นด้วย ALD และสมรรถนะทางไฟฟ้า

การทดสอบรอยต่อเดี่ยวแสดงให้เห็นว่า SnOx มีประสิทธิภาพดีที่สุดที่ 150 รอบ การเพิ่มความหนาทำให้ความต้านทานอนุกรมสูงขึ้นและฟิลแฟกเตอร์ลดลง เพื่อลดข้อจำกัดด้านความต้านทาน ผู้เขียนจึงเพิ่มชั้น AZO ที่ปลูกด้วย ALD เปรียบเทียบสองโครงสร้าง: SnOx 250 รอบ กับ SnOx 100 รอบรวมกับ AZO 400 รอบ

การวัด J-V แสดงให้เห็นว่าการรวม SnOx/AZO ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ การวิเคราะห์ระดับพลังงานพบว่าค่าขอบล่างของแถบการนำลดลงจาก SnOx ไปยัง AZO และ IZO ทำให้เกิดการจัดเรียงแถบพลังงานแบบขั้นบันไดที่เอื้ออำนวย ลดอุปสรรคในการสกัดที่รอยต่อ c-AFM แสดงให้เห็นว่า SnOx/AZO และ AZO บริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้ดีกว่า SnOx บริสุทธิ์มาก KPFM แสดงศักย์พื้นผิวที่สม่ำเสมอมากขึ้นและความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำลงบนฟิล์มเพอรอฟสไกต์ที่เคลือบ SnOx/AZO สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนชั่วคราวยืนยันการสกัดพาหะที่เร็วกว่าด้วย SnOx/AZO

ชั้น ALD ยับยั้งการเสื่อมสภาพ

หลังจากเร่งอายุ 400 ชั่วโมงที่ 85°C ภายใต้แสง ตัวอย่าง SnOx แสดงการดูดกลืนของเลดไอโอไดด์ที่แรงขึ้นใน UV-vis พีคการเลี้ยวเบนของ Pb⁰ โลหะใน XRD และช่องว่างที่รอยต่อรวมถึงการสูญเสียมวลในภาพตัดขวาง SEM ในตัวอย่าง SnOx/AZO สัญญาณการเสื่อมสภาพเหล่านี้เบากว่ามาก TOF-SIMS แสดงการแทรกซึมของ Ag อย่างหนักเข้าไปในชั้นเพอรอฟสไกต์และการแพร่ของ I⁻ อย่างรุนแรงในอุปกรณ์ SnOx ในขณะที่อุปกรณ์ SnOx/AZO ไม่พบการแพร่ของไอออนอย่างชัดเจน

หลังจาก 7 วันที่ความชื้นสัมพัทธ์ 85% ฟิล์มที่เคลือบ SnOx เกิดเฟส δ สีเหลือง แต่ SnOx/AZO ยังคงเป็นสีดำ การวัด PLQY แสดงการสูญเสียการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่ต่ำกว่าและการคง PLQY ที่สูงกว่าหลังการเร่งอายุสำหรับ SnOx/AZO KPFM แสดงการเพิ่มขึ้นอย่างมากของความหนาแน่นข้อบกพร่องที่พื้นผิวสำหรับตัวอย่าง SnOx ที่ผ่านการเร่งอายุ ในขณะที่ SnOx/AZO เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย

การประยุกต์ใช้ผลิตภัณฑ์

สมรรถนะและความเสถียรของเซลล์รอยต่อเดี่ยว

ในอุปกรณ์แบบรอยต่อเดี่ยวที่มีโครงสร้าง ITO / NiOx / Me-4PACz / perovskite / C60 / ชั้น ALD / Ag อุปกรณ์ SnOx/AZO ที่ดีที่สุดมีประสิทธิภาพ 23.47% แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด 1.27 V ฟิลล์แฟกเตอร์ 83.92% กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 22.07 mA/cm² โดยฮิสเทอรีซิสลดลงอย่างชัดเจน ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่รวมจาก EQE คือ 21.62 mA/cm² สูงกว่าอุปกรณ์ SnOx ที่ 20.92 mA/cm² กำลังไฟฟ้าที่เสถียรคือ 23.12% พลังงานเออร์บัคอยู่ที่ 13.11 meV ต่ำกว่าอุปกรณ์ SnOx ที่ 16.38 meV

ด้านความเสถียร หลังจาก 1100 ชั่วโมงของการเสื่อมสภาพในที่มืดที่ 85°C อุปกรณ์ SnOx/AZO ยังคงประสิทธิภาพเริ่มต้นมากกว่า 90% ในขณะที่ SnOx ลดลงเหลือ 85% ที่ 600 ชั่วโมง ภายใต้ 85°C พร้อมแสงสว่าง SnOx/AZO ยังคงมากกว่า 80% หลังจาก 300 ชั่วโมง ในขณะที่ SnOx ลดลงต่ำกว่า 60% หลังจาก 200 ชั่วโมง ในการทดสอบ MPPT SnOx/AZO ยังคง 96% หลังจาก 2000 ชั่วโมง ในขณะที่ SnOx ลดลงเหลือ 80% หลังจาก 700 ชั่วโมง

ประสิทธิภาพและความเสถียรของเซลล์แบบแท่นเดม

ชั้นสองชั้น ALD ถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์แท่นเดม perovskite/TOPCon ซิลิคอน HAADF-STEM แสดงชั้นสองชั้นที่ต่อเนื่องและหนาแน่น โดย SnOx ประมาณ 10 nm และ AZO ประมาณ 60 nm ไม่มีรูเข็มหรือการหลุดลอก HR-TEM ยืนยันว่า SnOx เป็นอสัณฐาน และ EDS แสดงการกระจายตัวของ Zn ที่สม่ำเสมอใน AZO

อุปกรณ์แท่นเดมที่ดีที่สุดมีประสิทธิภาพ 33.25% แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด 1.98 V กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 20.83 mA/cm² ฟิลล์แฟกเตอร์ 80.71% โดยแทบไม่มีฮิสเทอรีซิส EQE แสดงกระแสไฟฟ้าจากเซลล์บนและล่างที่ 20.43 และ 20.40 mA/cm² ซึ่งเข้ากันได้ดี กำลังไฟฟ้าที่เสถียรคือ 32.38%

หลังจาก 1000 ชั่วโมงของการเสื่อมสภาพด้วยความร้อนที่ 85°C อุปกรณ์ SnOx/AZO ยังคงประสิทธิภาพมากกว่า 90% ในขณะที่ SnOx ลดลงต่ำกว่า 90% ภายใน 400 ชั่วโมง ในการทดสอบความร้อนชื้น (double 85) SnOx/AZO ยังคงมากกว่า 92% หลังจาก 400 ชั่วโมง ในขณะที่ SnOx ลดลงต่ำกว่า 80% ภายใน 200 ชั่วโมง หลังจาก 1000 ชั่วโมงของแสงสว่างต่อเนื่อง SnOx/AZO ยังคงมากกว่า 96% ในขณะที่ SnOx ลดลงต่ำกว่า 80% ภายใน 300 ชั่วโมง

สรุปกลไก

ข้อได้เปรียบของชั้นสองชั้น SnOx/AZO มาจากสองสิ่ง ชั้น AZO ที่นำไฟฟ้าช่วยเร่งการดึงอิเล็กตรอนและลดการสะสมประจุที่รอยต่อ ซึ่งยับยั้งการเสื่อมสภาพของรอยต่อที่เกิดจากปฏิกิริยา ในขณะเดียวกัน ชั้นสองชั้นที่หนาแน่นทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันไอออนและความชื้นที่มีประสิทธิภาพ ยับยั้งการกัดกร่อนของเงินที่เกิดจากไอโอไดด์และการเคลื่อนที่ของ Ag⁺ เข้าสู่ perovskite การดึงอิเล็กตรอนที่เร็วขึ้นควบคู่กับการปิดกั้นไอออนทางกายภาพทำให้เกิดกลไก "การแยกหน้าที่" ดังนั้นผลทั้งสองจึงเสริมความทนทานของอุปกรณ์ร่วมกัน

การศึกษานี้ใช้ชั้นสองชั้น SnOx/AZO ที่ผลิตด้วย ALD ทั้งหมดเพื่อยับยั้งการเสื่อมสภาพที่เกิดจากปฏิกิริยาที่อินเทอร์เฟซในเซลล์ tandem perovskite/ซิลิคอน ชั้นสองชั้นนี้จับคู่การจัดแนวแถบพลังงานที่ดีของ SnOx กับค่าการนำไฟฟ้าสูงและฟังก์ชันกั้นที่หนาแน่นของ AZO ลดการสะสมประจุและยับยั้งการแพร่ของไอออนและการซึมผ่านของความชื้น อุปกรณ์เซลล์เดี่ยวมีประสิทธิภาพถึง 23.47% อุปกรณ์ tandem ถึง 33.25% และทั้งคู่คงประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้มากกว่า 96% หลังจาก MPPT 1000 ชั่วโมง แสดงให้เห็นว่าวิศวกรรมอินเทอร์เฟซมีความสำคัญต่อการสร้างเซลล์ PV tandem perovskite/ซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพสูงและเสถียร และชี้ให้เห็นเส้นทางที่แท้จริงสู่เซลล์ที่มีทั้งประสิทธิภาพและความทนทาน

เครื่องทดสอบ MPPT แบบ perovskite composite ซึ่งสร้างขึ้นรอบๆ ตัวจำลองแสงอาทิตย์ LED A+AA+ ที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการเสื่อมสภาพ ให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite เนื่องจากเซลล์ perovskite มีความไวต่อแสงและอุณหภูมิมาก จุดกำลังสูงสุดของพวกมันจึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ตัวควบคุม MPPT จะติดตามและล็อคจุดนั้นแบบเรียลไทม์ ดังนั้นระบบจะส่งออกที่กำลังดีที่สุดเสมอ ซึ่งเพิ่มผลผลิตพลังงานสูงสุดและปรับปรุงเสถียรภาพและเศรษฐศาสตร์ของระบบ PV ทั้งหมด

อ้างอิง: การยับยั้งปฏิกิริยาที่อินเทอร์เฟซในเซลล์แสงอาทิตย์ Tandem Perovskite/ซิลิคอนผ่านชั้นสองชั้น SnOx/AZO ที่ผลิตด้วย ALD ทั้งหมด

มุมมองของ Ooitech

สิ่งที่โดดเด่นที่นี่คือแนวคิด "การแยกฟังก์ชัน" ให้ชั้นบางชั้นหนึ่งจัดการการจัดแนวแถบพลังงานและอีกชั้นจัดการการกั้น แทนที่จะบังคับให้ฟิล์ม SnOx ชั้นเดียวทำงานทั้งสองอย่างและเสียเปรียบในด้านใดด้านหนึ่ง ในด้านการผลิต ความสม่ำเสมอของชั้น ALD ทั่วทั้งโมดูลขนาดเต็มคือจุดที่การควบคุมสายการผลิตและการวัดมีความสำคัญ และเป็นรายละเอียดกระบวนการที่เราหมกมุ่นเมื่อสร้างสายการผลิตโมดูล หากคุณต้องการดูเพิ่มเติมว่าการผลิตโมดูล perovskite และ tandem ทำงานร่วมกันในโรงงานจริงได้อย่างไร ช่อง YouTube ของ Ooitech (www.youtube.com/ooitech) น่าติดตาม