مقدمه

ماژول‌های خورشیدی تاندم تمام-پرووسکایت به دلیل بازدهی بالا و پتانسیل هزینه کم، به عنوان یک رقیب قدرتمند برای فناوری فتوولتائیک نسل بعدی شناخته می‌شوند. با این حال، تجاری‌سازی در مساحت بزرگ به طور جدی با مانع مواجه شده است. در حالی که دستگاه‌های کوچک قبلاً از مرز 30% بازدهی عبور کرده‌اند، ماژول‌های مساحت بزرگ (≥20 سانتی‌متر مربع) مدت‌هاست در حدود 24.5% متوقف شده‌اند. عوامل اصلی عبارتند از جذب انگلی قوی در نزدیکی فروسرخ و ناپایداری حرارتی سطح مشترک ساختار Au/PEDOT:PSS در اتصالات بازترکیبی تونلی (TRJ) مبتنی بر طلای معمولی، همراه با انتقال بار تخریب‌شده در فیلم‌های پرووسکایت Pb-Sn مساحت بزرگ ناشی از تبلور غیریکنواخت در طول پوشش‌دهی تیغه‌ای.

این مطالعه یک TRJ فرآوری‌شده با محلول را بر پایه نانوکریستال‌های In₂O₃ مهندسی‌شده سطحی توسعه می‌دهد. با تنظیم مورفولوژی نانوکریستال و شیمی سطح، تیم به شفافیت نوری بالا، رابط‌های صاف و هم‌ترازی سطح انرژی ایده‌آل دست یافت. هم‌زمان، افزودنی‌های نوع اسید فسفونیک به پیش‌ماده پروسکایت Pb-Sn اضافه شد تا تماس الکترونیکی با لایه بازترکیب In₂O₃ بهبود یابد، استخراج حفره افزایش یابد و سینتیک تبلور برای کاهش کرنش باقی‌مانده در فیلم‌های ناحیه بزرگ تنظیم شود. این استراتژی ترکیبی به طور هم‌زمان کارایی بازترکیب حامل‌ها در اتصال، استخراج بار و یکنواختی فیلم ناحیه بزرگ را افزایش می‌دهد و در نهایت بازدهی 26.2% تأییدشده توسط JET را در سطح روزنه 65 سانتی‌متر مربع (VOC = 2.182 V، FF = 77.4%، JSC = 15.6 mA cm⁻²) ارائه می‌دهد - یک نقطه عطف کلیدی در مسیر مقیاس‌سازی فتوولتائیک‌های تاندوم تمام پروسکایت.

طراحی و مزایای TRJ جدید

این کار یک جایگزین فرآوری‌شده با محلول را پیشنهاد می‌کند: یک TRJ جدید (نوع III) ساخته شده از نانوکریستال‌های اکسید ایندیم مهندسی‌شده سطحی (In₂O₃ NCs). این ساختار به طور سیستماتیک با ساختار متداول نوع I طلا/PEDOT:PSS و ساختار نوع II مبتنی بر نانوکریستال‌های تجاری ITO مقایسه می‌شود.

ساختار و ویژگی‌های رابط

نانوکریستال‌های In₂O₃ خودسنتز شده اندازه ذرات بسیار کوچک‌تری نسبت به نانوکریستال‌های تجاری ITO دارند و یک رابط مدفون صاف‌تر تشکیل می‌دهند و چگالی نقص تماس را به طور مؤثر کاهش می‌دهند. آزمایش‌های الکتریکی نشان می‌دهد که ساختار نوع III رفتار تماس اهمی ایده‌آل با هیچ مانع انتقال بار ندارد.

پایداری نوری و حرارتی

خصوصیات نوری نشان می‌دهد که PEDOT:PSS در نوع I باعث تلفات جذب انگلی شدید می‌شود، در حالی که فیلم In₂O₃ NC از نظر نوری بسیار شفاف است. تحت پیری حرارتی تسریع‌شده 85 درجه سانتی‌گراد، بازده ماژول نوع I در عرض 50 ساعت به کمتر از نصف مقدار اولیه کاهش یافت، در حالی که نوع II و نوع III مبتنی بر NC حدود 75% از بازده اولیه را پس از 200 ساعت حفظ کردند. روی یک زیرلایه 10×10 سانتی‌متر مربع، فیلم‌های NC پوشش‌داده شده با تیغه جذب نوری بسیار یکنواخت‌تری نسبت به فیلم‌های نازک طلای تبخیر شده حرارتی نشان دادند و مزیت ذاتی نانوکریستال‌های فرآوری‌شده با محلول در تولید مقیاس‌پذیر را به طور کامل نشان دادند.

بهینه‌سازی ساخت فیلم پروسکایت ناحیه بزرگ

با رفع تلفات نوری و ناپایداری TRJ، ساخت یکنواخت فیلم‌های پروسکایت Pb-Sn ناحیه بزرگ به مانع فنی بعدی تبدیل شد. سیستم‌های حلال متداول DMF/DMSO دارای نقاط جوش بالا و فراریت کند هستند، بنابراین سینتیک هسته‌زایی آنها در طول پوشش تیغه‌ای با سرعت بالا عقب می‌ماند و تشکیل فیلم‌های یکنواخت روی زیرلایه‌های بزرگ را دشوار می‌کند.

برای حل این مشکل، تیم یک سیستم حلال دوتایی بر پایه 2-متوکسی اتانول (2-Me) و تتراهیدروفوران (THF) توسعه داد. این سیستم با نقطه جوش پایین و فشار بخار بالا، به سرعت به فوق اشباع بحرانی می‌رسد و هسته‌زایی را به طور قابل توجهی تسریع می‌کند. با استفاده از آن، سرعت پوشش‌دهی تیغه‌ای پروسکایت Pb-Sn از 5 میلی‌متر بر ثانیه در سیستم سنتی DMF به 30 میلی‌متر بر ثانیه افزایش یافت و شدت فوتولومینسانس (PL) بسیار یکنواخت و سازگاری عالی دستگاه را در زیرلایه‌های 10×10 سانتی‌متر مربع و بزرگ‌تر ارائه داد. این کار با موفقیت چالش سینتیک تبلور پوشش‌دهی در مساحت بزرگ را شکست و اعتبارسنجی اولیه بازده 17.5% را در سطح دهانه 65 سانتی‌متر مربع به دست آورد.

مهندسی لیگاند سطحی و تطبیق تراز انرژی

پس از حذف PEDOT:PSS، تلفات نوری کاهش یافت، اما ولتاژ مدار باز (VOC) و ضریب پرشوندگی (FF) کاهش یافت که به افزایش موانع انتقال در سطح مشترک و بازترکیب غیرتابشی بین لایه پروسکایت و لایه NC نسبت داده شد. برای رفع این مشکل، این مطالعه یک استراتژی بهینه‌سازی هم افزایی دوگانه را اجرا کرد:

مهندسی لیگاند سطحی برای تنظیم ترازهای انرژی

از طریق تبادل لیگاند، از MMES و MMPA برای اصلاح سطح نانوبلورهای In₂O₃ استفاده شد. طیف‌سنجی فوتوالکترون فرابنفش (UPS) نشان داد که نانوبلورهای In₂O₃ اصلاح‌شده با MMPA به خمیدگی باند سطح مشترک مطلوب با فیلم پروسکایت هدف (خمیدگی رو به بالا حدود 50 میلی‌الکترون‌ولت) دست می‌یابند که به طور قابل توجهی استخراج حفره را تقویت می‌کند، در حالی که اصلاح با OAm یا MMES باعث خمیدگی رو به پایین و مانع انتقال می‌شود. آزمایش‌های جریان محدودشده با بار فضایی (SCLC) هرگونه تداخل لیگاند بر تحرک را رد کرد و تأیید کرد که افزایش عملکرد عمدتاً ناشی از تنظیم بهینه تراز انرژی است.

دوپینگ توده‌ای با ماده انتخابی حفره اسید فسفونیک (HSM)

تیم مواد HSM اسید فسفونیک مانند MeO-2PACz را مستقیماً در پیش‌ماده پروسکایت Pb-Sn (بهینه‌سازی شده در 0.2 mol%) دوپ کرد، نه اینکه آنها را به اصلاح سطح مشترک محدود کند. این استراتژی دوپینگ توده‌ای از مشکل پوشش ناهموار SAM در مناطق بزرگ جلوگیری می‌کند. UPS نشان داد که پس از دوپینگ HSM، تابع کار پروسکایت از 5.04 eV به 4.81 eV تغییر کرد، حداکثر باند ظرفیت به سمت بالا حرکت کرد و ویژگی نوع n ضعیف‌تر شد و با ترازهای انرژی نانوبلورهای In₂O₃ تطابق بهتری پیدا کرد. سلول Pb-Sn تک اتصالی بدون HTL حاصل به بازده 23% رسید، در حالی که یک دستگاه پوشش‌دهی تیغه‌ای با استفاده از نانوبلورهای In₂O₃-MMPA به عنوان لایه انتقال حفره (HTL) به بازده 24.0% در اسکن معکوس با JSC تا 33.8 mA cm⁻² دست یافت.

نقش‌های چندگانه HSM بر فیلم پروسکایت

نقش HSM بسیار فراتر از انتقال بار است - این ماده به طور عمیق بر تبلور فیلم و غیرفعال‌سازی نقص تأثیر می‌گذارد:

کنترل تبلور و سرکوب نقص‌ها

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که پس از دوپینگ HSM، ناخالصی‌های دندریتی که قبلاً مرزهای دانه را در فیلم Pb-Sn قطع می‌کردند، ناپدید شدند، اندازه دانه به طور قابل توجهی افزایش یافت و مرزهای دانه ظاهری «ذوب شده» پیدا کردند. GIWAXS و XRD تأیید کردند که HSM به طور مؤثر تشکیل فاز ناخالصی PbI₂ را سرکوب می‌کند. NMR مایع ¹H همچنین نشان داد که HSM از طریق پروتون‌زدایی ترجیحی، گروه‌های فسفونیک اسیدی آزاد را مصرف می‌کند و در نتیجه از پروتون‌زدایی اسیدی کاتیون‌های FA⁺ جلوگیری کرده و شیمی پیش‌ماده را تثبیت می‌کند.

بهبود دینامیک حامل‌ها

طیف‌سنجی جذب گذرا (TAS) نشان داد که بازترکیب غیرتابشی با کمک نقص پس از دوپینگ HSM به طور قابل توجهی سرکوب شد. شدت PL حالت پایا به شدت افزایش یافت، میانگین طول عمر PL از 1042 ns به 1889 ns افزایش یافت، با غیرفعال‌سازی به ویژه قوی در سطح مشترک پایین، که به طور مؤثر به دام افتادن بار در سطح مشترک مدفون را کاهش داد. طیف‌سنجی OPTP نشان داد که تحرک حامل فیلم هدف از 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ به 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ افزایش یافته و طول انتشار از 2.65 μm به 4.78 μm رسیده است که بهبود همه‌جانبه در کیفیت فیلم توده را تأیید می‌کند.

عملکرد و پایداری ماژول در مساحت بزرگ

با تکیه بر این استراتژی‌های هم‌افزا، تیم یک ماژول تاندم تمام پروسکایتی با مساحت روزنه 65 cm² (14 زیرسلول به صورت سری) ساخت. ماژول قهرمان با استفاده از TRJ نوع III (In₂O₃-MMPA) به راندمان آزمایشگاهی 26.6% (اسکن معکوس) با VOC 30.4 V، JSC 1.12 mA cm⁻² و FF 78.2% دست یافت. راندمان تثبیت شده تأیید شده توسط JET به 26.2% رسید که به وضوح از ماژول کنترل با استفاده از TRJ نوع I معمولی (24.8%) بهتر بود. پس از بهینه‌سازی ناحیه مرده، ضریب پرکنندگی هندسی به 96.5% رسید که راندمان ناحیه فعال معادل 27.6% را به دست داد. نقشه‌برداری فضایی EQE نشان داد که در 16 موقعیت مختلف، چگالی جریان یکپارچه زیرسلول‌های بالا و پایین به ترتیب به طور متوسط 16.3 و 16.2 mA cm⁻² بود که با نتایج J-V مطابقت نزدیک داشت و هر دو از گلوگاه ماژول زیر 15 mA cm⁻² گزارش شده قبلی عبور کردند.

از نظر قابلیت اطمینان، طبق استاندارد IEC 61215:2021، ماژول نوع III کپسوله شده به طول عمر T90 (حفظ 90% بازده اولیه) 771 ساعت تحت ردیابی نقطه حداکثر توان (MPP) پیوسته 1 خورشید دست یافت و پس از 1000 ساعت همچنان 82.5% بازده را حفظ کرد. در آزمون گرمای مرطوب 85°C/85% RH (ISOS-D-3)، ماژول نوع III به میانگین طول عمر T84 معادل 1000 ساعت رسید، در حالی که ماژول نوع I به زیر 40% بازده سقوط کرده بود. در آزمون چرخه حرارتی -40°C تا 85°C (ISOS-T-3)، ماژول نوع III پس از 200 چرخه 93% از بازده اولیه را حفظ کرد. تمام آزمایش‌های پیری تسریع‌شده تأیید کردند که پایداری برجسته نوع III ناشی از حذف کامل عوامل ناپایداری ناشی از PEDOT:PSS است.

از طریق اتصالات بازترکیب نانوکریستال In₂O₃ مهندسی‌شده سطحی و مهندسی HSM هم افزایی توده/رابط، این کار با موفقیت به بازده تأیید شده 26.2% برای ماژول خورشیدی تاندوم تمام پروسکایت در سطح دهانه 65 سانتی‌متر مربع دست یافت و پیشرفت‌های جامعی در اندازه ماژول، بازده و پایداری عملیاتی ارائه داد. این کار به شدت پتانسیل تجاری‌سازی فناوری فتوولتائیک تاندوم تمام پروسکایت را نشان می‌دهد. با نگاه به آینده، افزایش سطح ماژول به فراتر از 800 سانتی‌متر مربع نیازمند بهینه‌سازی هم افزایی فرآیندهای رسوب‌دهی مانند پوشش‌دهی شکاف قالب (slot-die coating) همراه با روش‌هایی مانند تبلور با کمک خلأ است تا از ساخت با کیفیت بالا و یکنواخت زیرسلول‌های پهن باند و باریک باند در سطح بزرگ اطمینان حاصل شود.

تجهیزات مرجع و آزمایش

یک تستر MPPT پروسکایت کامپوزیت با استفاده از شبیه‌ساز خورشیدی LED درجه A+AA+ به عنوان منبع پیری، پشتیبانی قوی برای تحقیقات سلول‌های خورشیدی پروسکایت از طریق فناوری پیشرفته و طراحی چندمنظوره فراهم می‌کند. چنین ابزارهایی عمدتاً برای آزمایش پایداری سلول‌های تکی و تاندوم پروسکایت نهایی استفاده می‌شوند. از آنجا که ویژگی‌های خروجی سلول‌های پروسکایت به راحتی تحت تأثیر عوامل محیطی مانند نور و دما قرار می‌گیرد، نقطه حداکثر توان مکرراً نوسان می‌کند. یک کنترل‌کننده MPPT نقطه حداکثر توان را در زمان واقعی ردیابی و قفل می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که سیستم همیشه در خروجی توان بهینه کار می‌کند.

مرجع: بازترکیب مهندسی‌شده نانوکریستال برای ماژول‌های خورشیدی تاندوم تمام پروسکایت

دیدگاه Ooitech

Ooitech معتقد است: اتصالات بازترکیب نانوکریستال In₂O₃ مهندسی‌شده سطحی همراه با مهندسی توده/رابط HSM، ماژول‌های تاندوم تمام پروسکایت در سطح بزرگ را به بازده تأیید شده 26.2% رسانده و این فناوری را یک گام قاطع به تجاری‌سازی نزدیک‌تر کرده است.