แนะนำผลิตภัณฑ์

เซลล์แสงอาทิตย์แบบแท่นเดี่ยวเพอรอฟสไกต์/ซิลิคอนเป็นหนึ่งในเส้นทางที่ชัดเจนที่สุดในการก้าวข้ามขีดจำกัดประสิทธิภาพของเซลล์รอยต่อเดี่ยว เซลล์ด้านบนและเซลล์ด้านล่างเชื่อมต่อแบบอนุกรมผ่านชั้นเชื่อมต่อที่ทำหน้าที่รวมประจุ และคุณภาพของรอยต่อนั้นเป็นตัวกำหนดว่าตัวพาประจุสามารถเคลื่อนที่และรวมตัวกันได้อย่างราบรื่นหรือไม่ ปัญหาอยู่ที่พื้นผิวที่มีโครงสร้างจุลภาคพีระมิดของเซลล์ด้านล่างซิลิคอนเฮเทอโรจังก์ชัน (SHJ) พีระมิดมีความสูงประมาณ 600 นาโนเมตร และบนพื้นผิวนั้น ชั้นเชื่อมต่อจะสูญเสียทางแสงแบบปรสิต ในขณะที่ชั้นโมเลกุลเดี่ยวที่ประกอบเอง (SAM) ไม่สามารถกระจายตัวได้สม่ำเสมอ เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้จะลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลง

งานนี้วัดชั้นเชื่อมต่ออินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ที่มีความหนาตั้งแต่ 2 ถึง 30 นาโนเมตร และพบว่าชั้นบางพิเศษ 8 นาโนเมตรทำงานได้ดีที่สุดในสองด้านพร้อมกัน: ลดการสูญเสียทางแสงและปรับปรุงความสม่ำเสมอของศักย์พื้นผิว เมื่อเพิ่มการปรับสภาพ NiOx และการทำงานของ Poly-SAM ทับลงไป ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเพิ่มขึ้น 0.85 mA cm⁻² เป็น 20.82 mA cm⁻² ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงถึง 31.80% และหลังจากติดตามจุดกำลังสูงสุด 500 ชั่วโมง อุปกรณ์ยังคงรักษาประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้ได้ 96%

วิธีการทดลอง

เซลล์ด้านล่าง SHJ ใช้เวเฟอร์ซิลิคอนชนิด n หนา 110 ± 10 µm พื้นผิวสองด้านแบบ KOH สร้างพีระมิดสูงประมาณ 600 นาโนเมตร หลังจากทำความสะอาดแบบ RCA PECVD จะสะสมชั้นพาสซิเวชันและชั้นโด๊ปตามลำดับ: ด้านหน้าได้ a-Si:H(i) ชนิดแท้ 8 นาโนเมตร บวกกับ nc-SiOx:H(n) ชนิด n 15 นาโนเมตร ด้านหลังได้ a-Si:H(p) ชนิด p 8 นาโนเมตร จากนั้นสปัตเตอร์ ITO 110 นาโนเมตรและระเหย Ag 700 นาโนเมตรที่ด้านหลัง ที่ด้านหน้า สะสมความหนาชั้นเชื่อมต่อ ITO หกค่าต่างกัน: 2, 5, 8, 10, 20 และ 30 นาโนเมตร อบที่ 180°C และขีดด้วยเลเซอร์

เซลล์เพอรอฟสไกต์ชั้นบนดำเนินตามเส้นทางนี้ เซลล์ชั้นล่างถูกอบอ่อนและบำบัดด้วย UV-โอโซนก่อน จากนั้น NiOx ถูกสะสมด้วยแมกนีตรอนสปัตเตอริง ตามด้วยการอบอ่อนและขั้นตอน UV-โอโซนอีกครั้ง ภายในกล่องถุงมือไนโตรเจน Poly-SAM ถูกเคลือบด้วยการหมุน (0.5 mg mL⁻¹ ตัวทำละลายเมทานอลและคลอโรเบนซีนอัตราส่วน 1:1) และอบอ่อนที่ 100°C เพอรอฟสไกต์คือ Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ ที่มีแบนด์แกป 1.68 eV เคลือบด้วยการหมุนสองขั้นตอน โดยหยดคลอโรเบนซีนเป็นแอนตี้โซลเวนต์ระหว่างขั้นตอนความเร็วสูง และอบที่ 100°C เป็นเวลา 20 นาที พื้นผิวถูกปรับแต่งด้วย PDADI จากนั้น C₆₀ ถูกระเหยด้วยความร้อน SnO₂ ปลูกด้วย ALD IZO 45 nm ถูกสปัตเตอริง อิเล็กโทรด Ag ถูกระเหย และสุดท้ายฟิล์มกันสะท้อน MgF₂ ถูกปิดทับสแต็ก

ข้อได้เปรียบทางเทคนิค

คุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของชั้นเชื่อมต่อ ITO

(a) Rsh, Ne และ µ เทียบกับความหนา (n = 10); (b) การดูดกลืนแสงและการสะท้อนแสงของชั้น ITO; (c) ฟังก์ชันงานเทียบกับความหนา; (d) การเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันงาน (ΔWF) ก่อนและหลังการบำบัด NiOx ที่ความหนาต่างๆ; (e) แผนภาพการกระจายของ SAM บน ITO ที่ปรับแต่งด้วย NiOx; (f) แผนที่ศักย์พื้นผิว KPFM ของ ITO เชื่อมต่อหนา 2–30 nm; (g) แผนที่ศักย์พื้นผิว KPFM ของ ITO เชื่อมต่อหนา 8 nm ก่อนและหลังการฟังก์ชันนัลไลเซชันด้วย NiOx และ Poly-SAM

การวัดฮอลล์แสดงให้เห็นว่าความต้านทานแผ่นลดลงเมื่อความหนาของฟิล์มเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดหวัง ความเข้มข้นของพาหะคงที่ค่อนข้างคงที่ระหว่าง 8 ถึง 30 nm ประมาณ 2.8 ถึง 3.5 × 10²⁰ cm⁻³ แต่เมื่อต่ำกว่า 8 nm จะเริ่มลดลง การเคลื่อนที่ลดลงเพียงเล็กน้อยในช่วงแคบ 2 ถึง 8 nm ซึ่งเป็นสัญญาณว่าความสมบูรณ์ของฟิล์มยังคงอยู่ 8 nm อยู่ในจุดที่เหมาะสมซึ่งความต้านทานแผ่นต่ำพอและประสิทธิภาพทางไฟฟ้ายังไม่ลดลง

(a) สเปกตรัม XPS ความละเอียดสูง O 1s ที่ฟิตพีคของชั้น ITO บนพื้นผิวเซลล์ชั้นล่าง c-Si ที่มีพื้นผิว (b) สเปกตรัม XPS ความละเอียดสูงของชั้น ITO 8 nm บนเซลล์ชั้นล่าง c-Si ที่มีพื้นผิวก่อนและหลังการปรับแต่งด้วย NiOx (c) ภาพ SEM ภาพตัดขวางของชั้น ITO 8 nm บนเซลล์ชั้นล่าง c-Si ที่มีพื้นผิว (d) แผนที่ธาตุ EDS ที่สอดคล้องกันของบริเวณที่โฟกัสของตัวอย่าง ITO 8 nm โดยมีคำอธิบายสี-ธาตุที่มุมขวาบน

ในทางแสง การทำให้ ITO บางลงลดทั้งการสะท้อนและการดูดกลืนแสงที่สูงกว่า 450 nm เนื่องจากการแทรกสอดแบบหักล้างรวมกับการดูดกลืนของพาหะอิสระที่อ่อนลง

• UPS แสดงให้เห็นว่าฟังก์ชันงานเพิ่มขึ้นเมื่อความหนาลดลง และหลังจากปรับเปลี่ยนด้วย NiOx และการอบอ่อน การเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันงานสูงสุดที่ 8 นาโนเมตร

• การสแกนพื้นที่ด้วย KPFM เผยให้เห็นว่า ITO ที่มีความหนาต่ำกว่า 10 นาโนเมตรสามารถระงับจุด shunt ในพื้นที่ทั้งหมด โดยที่ 8 นาโนเมตรให้ความสม่ำเสมอดีที่สุด

• XPS พบรายละเอียดที่น่าสนใจ: พื้นผิว ITO ขนาด 8 นาโนเมตรมีความหนาแน่นของหมู่ไฮดรอกซิลสูงกว่าขนาด 20 นาโนเมตร และหมู่ไฮดรอกซิลเหล่านี้สร้างพันธะสะพาน In─O─Ni กับ NiOx ทำให้ NiOx กระจายตัวสม่ำเสมอและยึดเกาะแน่นขึ้น หลังการปรับเปลี่ยน สัญญาณ In หายไปทั้งหมด ซึ่งบ่งบอกว่าคุณภาพของชั้นเคลือบดีเยี่ยมและเป็นพื้นฐานที่ดีสำหรับการประกอบ SAM ที่ตามมา

• SEM และ EDS ยังยืนยันว่า ITO ขนาด 8 นาโนเมตรให้การเคลือบที่สอดคล้องกับพื้นผิวเท็กซ์เจอร์

ประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์แบบ Tandem

(ก) การเปลี่ยนแปลงของ Jsc ในเซลล์ tandem perovskite/ซิลิคอน; (ข) การเปลี่ยนแปลงของ Voc; (ค) การเปลี่ยนแปลงของ FF; (ง) การเปลี่ยนแปลงของ PCE; (จ) ภาพตัดขวาง SEM ของเซลล์ tandem บน ITO; (ฉ) รูปแบบ XRD ของฟิล์ม perovskite บน ITO; (ช) สเปกตรัม PL สถานะคงตัวของฟิล์ม perovskite บน ITO; (ซ) เส้นโค้ง PL สถานะคงตัวที่ปรับมาตรฐานแล้ว; (ฌ) สเปกตรัมการสลาย TRPL ชั่วคราวของฟิล์ม perovskite บน ITO; (ญ) ภาพถ่ายเรืองแสงของเซลล์ tandem พื้นที่ทำงาน 0.928 ซม.²

ความหนาของชั้นเชื่อมต่อ ITO ทั้งหกค่าผ่านการทดสอบ J-V

• ต่ำกว่า 5 นาโนเมตร Voc และ FF ลดลงอย่างมาก Voc ไม่สามารถผลักดันเกิน 1.7 V และ PCE อยู่ที่เพียง 21.68% สาเหตุหลักมาจากฟิล์มไม่ต่อเนื่องบนพื้นผิวพีระมิด

• 8 นาโนเมตรเป็นคำตอบที่ดีที่สุด ภาพตัดขวาง SEM แสดงให้เห็นว่าเม็ด perovskite มีขนาดใหญ่กว่าและหนาแน่นกว่าบน ITO ที่บางมาก (ต่ำกว่า 10 นาโนเมตร) และ XRD ยืนยันคุณภาพผลึกที่ดีกว่า แม้ว่าตัวอย่าง 5 นาโนเมตรจะแสดงพีค PbI₂ ซึ่งเป็นสัญญาณว่าการเสื่อมสภาพเริ่มต้นแล้ว ความเข้ม PL สถานะคงตัวเพิ่มขึ้นจาก 30 นาโนเมตรลงไปถึง 8 นาโนเมตร แล้วลดลงอีกครั้ง ดังนั้น 8 นาโนเมตรจึงอยู่ที่จุดสูงสุด ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำที่สุด

• พีคลักษณะเฉพาะของ PL ที่ปรับมาตรฐานแล้วไม่เลื่อน หมายความว่าธรรมชาติของการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่อินเทอร์เฟซยังคงเหมือนเดิม อายุการใช้งานของพาหะ TRPL ก็ยาวนานที่สุดที่ 8 นาโนเมตรเช่นกัน ผลลัพธ์เหล่านี้ย้อนกลับไปที่ไดโพลสุทธิที่แข็งแกร่งกว่าและฟังก์ชันงานที่สม่ำเสมอมากขึ้นซึ่ง Poly-SAM นำมา ช่วยเพิ่ม Voc และ FF พร้อมกัน ภาพ PL ยังเผยให้เห็นความไม่สม่ำเสมอระดับต่ำกว่าไมครอนภายในเซลล์ย่อย perovskite แต่ชั้น ITO ความต้านทานสูงที่บางมากมีความต้านทานด้านข้างสูง ดังนั้นการเข้าถึงของ shunt ในพื้นที่จึงถูกจำกัดอย่างมีประสิทธิภาพและไม่เคยทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดเสียหาย

การปรับปรุงความหนาแน่นกระแส

(ก) เส้นโค้ง EQE ของเซลล์ย่อยเพอรอฟสไกต์และซิลิคอนภายใต้ชั้นเชื่อมต่อ ITO 8 นาโนเมตร (ข) เส้นโค้ง EQE ของเซลล์คู่แบบเริ่มต้นและแบบปรับปรุง

ชั้น IZO ด้านหน้าถูกประเมินด้วยค่า figure of merit Aw × Rsheet⁻¹ และ 45 นาโนเมตรให้ผลดีที่สุด การทำให้ ITO เชื่อมต่อบางลงจาก 20 นาโนเมตรเป็น 10 นาโนเมตรและ 8 นาโนเมตร ทำให้ค่า Jsc เฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 19.78 เป็น 19.96 และ 20.55 mA cm⁻² ตามลำดับ ความหนาแน่นกระแสที่รวมจาก EQE ของเซลล์ย่อยเพอรอฟสไกต์และซิลิคอนเท่ากับ 20.64 และ 20.51 mA cm⁻² ตามลำดับ ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูล J-V เมื่อเทียบกับ ITO 20 นาโนเมตร ITO 8 นาโนเมตรให้กระแสเพิ่มเติมแก่เซลล์ย่อยเพอรอฟสไกต์ 0.06 mA cm⁻² และแก่เซลล์ย่อยซิลิคอน 0.47 mA cm⁻² โดยการมีส่วนร่วมจากช่วงใกล้อินฟราเรดของเซลล์ล่างซิลิคอนเพิ่มขึ้นมากที่สุด

การประยุกต์ใช้ผลิตภัณฑ์

ประสิทธิภาพและความเสถียรของอุปกรณ์

(ก) โครงสร้างแผนผังและภาพถ่ายของเซลล์แสงอาทิตย์คู่เพอรอฟสไกต์/ซิลิคอน (ข) ภาพ SEM ภาคตัดขวางของเซลล์คู่ (ค) เส้นโค้ง J-V ของเซลล์ย่อยเดี่ยวเพอรอฟสไกต์และซิลิคอน (ง) เส้นโค้ง J-V ตัวแทนของเซลล์ประสิทธิภาพสูง (จ) การเปลี่ยนแปลงของ Rs ในเซลล์คู่เพอรอฟสไกต์/ซิลิคอนที่สร้างบนชั้นเชื่อมต่อ ITO 30 นาโนเมตรถึง 2 นาโนเมตร (ฉ) ผลการทดสอบ MPPT ของเซลล์คู่ที่ถูกห่อหุ้มภายใต้แสง 1 ดวงอาทิตย์

เมื่อปรับความหนาของชั้นเชื่อมต่อ ITO แล้ว ค่า PCE เฉลี่ยของอุปกรณ์คู่เพิ่มขึ้นจาก 28.64% เป็น 30.67% ITO 2 นาโนเมตรมีความต้านทานอนุกรม Rs สูงถึง 41.26 Ω ดังนั้นการเชื่อมต่อแบบอนุกรมจึงขาดโดยพื้นฐาน Rs ของ 8 นาโนเมตรต่ำกว่ามาก อิมพีแดนซ์ภายในลดลง และการสูญเสียแรงดันใกล้จุดกำลังสูงสุดลดลง ในด้านความเสถียร เซลล์คู่ ITO 8 นาโนเมตรรักษา PCE เริ่มต้นไว้ได้ 96% หลังจาก MPPT 500 ชั่วโมง ในขณะที่เซลล์ 20 นาโนเมตรรักษาไว้เพียง 90% ทำให้อยู่ในกลุ่มที่เสถียรที่สุดในตระกูล TCO/SAM interconnect ทำไมถึงเสถียร? การปกคลุมของ Poly-SAM สูง และการตกผลึกของเพอรอฟสไกต์ดีขึ้นตามไปด้วย

พื้นที่ที่ถูกปกคลุมด้วย SAM มีพลังงานพื้นผิวต่ำ และหมู่กรดฟอสโฟนิกจะประสานกับ Pb²⁺ และ FA⁺ ช่วยให้เพอรอฟสไกต์เติบโตอย่างช้าๆ และเป็นระเบียบ ทำให้เม็ดผลึกมีขนาดใหญ่ บนพื้นที่ ITO เปลือยไม่มีผลเทมเพลตดังกล่าว การเกิดนิวเคลียสจะเร็วและไม่เป็นระเบียบ ส่งผลให้เม็ดผลึกมีขนาดเล็กและมีขอบเกรนจำนวนมาก นอกจากนี้ Poly-SAM ยังช่วยพาสซิเวตพันธะไม่อิ่มตัวและตำแหน่งว่างของฮาไลด์ที่อินเทอร์เฟซ ยับยั้งการเคลื่อนที่ของฮาไลด์ และชะลอการเสื่อมสภาพ ศักย์พื้นผิวที่สม่ำเสมอซึ่งเกิดจาก ITO ที่บางมากก็ช่วยได้เช่นกัน และเมื่อปัจจัยหลายอย่างรวมกัน อายุการใช้งานของอุปกรณ์ก็เพิ่มขึ้น

การทดสอบความเสถียรของ MPPT ที่นี่ใช้เครื่องจำลองแสงอาทิตย์แบบ LED ระดับ 3A+ เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการเสื่อมสภาพ ซึ่งสามารถควบคุมอุณหภูมิของเซลล์และบรรยากาศโดยรอบได้หลายวิธีเพื่อทำการทดสอบความเสถียรในระยะยาว

บทสรุปและแนวโน้มในอนาคต

ความหนา 8 นาโนเมตรเป็นความหนาที่เหมาะสมที่สุดของชั้นเชื่อมต่อ ITO สำหรับเซลล์คู่เพอรอฟสไกต์/ซิลิคอน ความหนานี้ช่วยเพิ่มคุณภาพผลึกของเพอรอฟสไกต์และลดการดูดกลืนปรสิต หลังจากการปรับเปลี่ยนด้วย NiOx และการทำงานของ Poly-SAM ศักย์พื้นผิวจะสม่ำเสมอมากขึ้นและการเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันงานเด่นชัดขึ้น พื้นผิว ITO 8 นาโนเมตรมีหมู่ไฮดรอกซิลมากกว่า NiOx กระจายตัวสม่ำเสมอ SAM เรียงตัวหนาแน่น และการปกคลุมที่สอดคล้องกับพื้นผิวเท็กซ์เจอร์ได้รับการยืนยันด้วย SEM และ EDS เมื่อเทียบกับ ITO 20 นาโนเมตรแบบดั้งเดิม อุปกรณ์ที่ปรับให้เหมาะสมมีประสิทธิภาพสูงสุด 31.80% โดย Jsc เพิ่มขึ้น 0.85 mA cm⁻² และคงประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้ได้ 96% หลังจาก MPPT 500 ชั่วโมง

ในอนาคต ยังมีสิ่งที่ต้องปรับปรุงอีกมาก พื้นผิวด้านหลังและตัวสะท้อนแสงสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อเสริมการดักจับแสงในเซลล์ซิลิคอนด้านล่าง เพิ่มกระแส และทำให้การจับคู่กระแสแม่นยำ FF และ Voc ยังคงเป็นคอขวดที่จำกัดประสิทธิภาพโดยรวม ดังนั้นกลยุทธ์การพาสซิเวชันหน้าสัมผัสต้องเจาะลึกยิ่งขึ้น สถาปัตยกรรมเชื่อมต่อทางเลือก เช่น รอยต่ออุโมงค์ที่ใช้ซิลิคอนก็ควรลองเช่นกัน เมื่อพูดถึงการขยายขนาดสู่การผลิต ความหนาของ TCO และการออกแบบกริดโลหะต้องปรับแต่งร่วมกัน เพื่อให้พื้นที่ขนาดใหญ่ไม่มีการบังแสงมากเกินไปและการนำไฟฟ้าด้านข้างไม่เสียหาย และด้วยชั้นที่บางลง การใช้ปริมาณอินเดียมก็ลดลง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อความยั่งยืนเช่นกัน

มุมมองของ Ooitech

สิ่งที่โดดเด่นคือ ITO เพียงไม่กี่นาโนเมตรสามารถปรับเปลี่ยนทั้งด้านออปติกและการตกผลึกบนพื้นผิวพีระมิดขนาด 600 นาโนเมตรนั้น และปัญหาการเคลือบแบบคอนฟอร์มัลเดียวกันนี้เองที่ปรากฏขึ้นเมื่อสายการผลิตแทนเดมย้ายจากคูปองในห้องปฏิบัติการไปยังโมดูลขนาดเต็ม บนพื้นที่การผลิต ขั้นตอนการเชื่อมต่อสายพาน การวางซ้อน และการเคลือบทั้งหมดต้องเคารพอินเทอร์เฟซที่เปราะบางและอินเทอร์เฟซ SAM เหล่านี้ ซึ่งเป็นจุดที่อุปกรณ์สายการผลิตโมดูลที่สม่ำเสมอและปรับแต่งมาอย่างดีแสดงคุณค่า หากคุณต้องการดูว่ากระบวนการเหล่านี้เป็นอย่างไรในระดับโรงงานจริง ช่อง YouTube ของ Ooitech ที่ www.youtube.com/ooitech น่าติดตาม