سلولهای تاندوم پروسکایت/سیلیکون: لایه اتصال ITO با ضخامت ۸ نانومتر به بازده ۳۱.۸۰٪ دست یافت
فهرست مطالب
معرفی محصول
سلولهای خورشیدی تاندوم یکپارچه پروسکایت/سیلیکون یکی از واضحترین مسیرها برای عبور از سقف بازدهی سلولهای تکپیوندی هستند. سلول بالایی و سلول پایینی از طریق یک لایه اتصال بازترکیب به صورت سری متصل میشوند و کیفیت این رابط تعیین میکند که آیا حاملها میتوانند به آرامی منتقل و بازترکیب شوند. مشکل در سطح بافتدار میکروهرمی سلول پایینی سیلیکون هتروجانکشن (SHJ) قرار دارد. هرمها حدود 600 نانومتر ارتفاع دارند و در این زمین، لایه بازترکیب دچار تلفات نوری انگلی میشود در حالی که تکلایه خودآرا (SAM) هرگز به طور یکنواخت پخش نمیشود. با گذشت زمان این امر عملکرد دستگاه را کاهش میدهد.
این کار لایههای اتصال ایندیم قلع اکسید (ITO) با ضخامت 2 تا 30 نانومتر را اندازهگیری کرد و دریافت که یک لایه بسیار نازک 8 نانومتری به طور همزمان در دو جبهه بهترین عملکرد را دارد: کاهش تلفات نوری و بهبود یکنواختی پتانسیل سطح. پس از افزودن اصلاح NiOx و عملکردیسازی Poly-SAM در بالا، چگالی جریان اتصال کوتاه 0.85 mA cm⁻² افزایش یافت و به 20.82 mA cm⁻² رسید، بازده تبدیل توان به 31.80% رسید و پس از 500 ساعت ردیابی نقطه حداکثر توان، دستگاه همچنان 96% از بازده اولیه خود را حفظ کرد.
روش آزمایشی
سلول پایینی SHJ از ویفرهای سیلیکون نوع n با ضخامت 110 ± 10 میکرومتر استفاده کرد که با KOH دوطرفه به هرمهایی با ارتفاع حدود 600 نانومتر بافتدار شده بودند. پس از تمیزکاری RCA، PECVD لایههای غیرفعالسازی و دوپ شده را به ترتیب رسوب داد: سمت جلو 8 نانومتر a-Si:H(i) ذاتی به اضافه 15 نانومتر nc-SiOx:H(n) نوع n، سمت پشت 8 نانومتر a-Si:H(p) نوع p، سپس 110 نانومتر ITO به روش کندوپاش و 700 نانومتر Ag تبخیر شد. در جلو، شش ضخامت لایه اتصال ITO به طور جداگانه رسوب داده شد: 2، 5، 8، 10، 20 و 30 نانومتر، در دمای 180 درجه سانتیگراد بازپخت و با لیزر خطزنی شدند.
سلول بالایی پروسکایت این مسیر را دنبال کرد. سلول پایینی ابتدا بازپخت و با اشعه UV-ازون تیمار شد، سپس NiOx با کندوپاش مگنترون لایهنشانی شد و به دنبال آن یک مرحله بازپخت و UV-ازون دیگر انجام شد. در داخل گلاوباکس نیتروژن، Poly-SAM با روش چرخشی (0.5 mg mL⁻¹، حلال متانول و کلروبنزن به نسبت 1:1) لایهنشانی و در دمای 100 درجه سانتیگراد بازپخت شد. پروسکایت Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ با گاف نواری 1.68 eV بود که در دو مرحله با روش چرخشی لایهنشانی شد و در مرحله سرعت بالا، کلروبنزن به عنوان ضدحلال چکانده شد و به مدت 20 دقیقه در دمای 100 درجه سانتیگراد پخت شد. سطح با PDADI اصلاح شد، سپس C₆₀ با تبخیر حرارتی، SnO₂ با ALD رشد داده شد، IZO به ضخامت 45 nm با کندوپاش لایهنشانی شد، الکترودهای Ag تبخیر شدند و در نهایت یک لایه ضدبازتاب MgF₂ روی ساختار قرار گرفت.
مزایای فنی
خواص اپتوالکترونیکی لایه اتصال ITO
(a) Rsh، Ne و μ بر حسب ضخامت (n=10)؛ (b) جذب و بازتاب نوری لایه ITO؛ (c) تابع کار بر حسب ضخامت؛ (d) تغییر تابع کار (ΔWF) قبل و بعد از تیمار NiOx در ضخامتهای مختلف؛ (e) شماتیک توزیع SAM روی ITO اصلاحشده با NiOx؛ (f) نقشههای پتانسیل سطحی KPFM از ITO اتصال با ضخامت 2-30 nm؛ (g) نقشههای پتانسیل سطحی KPFM از ITO اتصال با ضخامت 8 nm قبل و بعد از عاملدار کردن با NiOx و Poly-SAM.
اندازهگیریهای اثر هال نشان داد که مقاومت سطحی با افزایش ضخامت فیلم کاهش مییابد، که انتظار میرود. غلظت حاملها بین 8 تا 30 nm نسبتاً ثابت و حدود 2.8 تا 3.5 × 10²⁰ cm⁻³ باقی ماند، اما در ضخامتهای کمتر از 8 nm شروع به کاهش میکند. تحرکپذیری تنها اندکی در بازه باریک 2 تا 8 nm کاهش یافت که نشانهای از یکپارچگی فیلم است. ضخامت 8 nm دقیقاً در نقطه شیرین قرار دارد که مقاومت سطحی به اندازه کافی پایین است و عملکرد الکتریکی فرو نریخته است.
(a) طیف XPS با وضوح بالای O 1s برازششده از لایه ITO روی سطح سلول پایینی c-Si بافتدار. (b) طیفهای XPS با وضوح بالای لایه ITO با ضخامت 8 nm روی سلول پایینی c-Si بافتدار قبل و بعد از اصلاح با NiOx. (c) تصویر SEM مقطع از لایه ITO با ضخامت 8 nm روی سلول پایینی c-Si بافتدار. (d) نقشههای عنصری EDS مربوط به ناحیه متمرکز نمونه ITO با ضخامت 8 nm، با راهنمای رنگ-عنصر در بالا سمت راست.
از نظر نوری، نازککردن ITO باعث کاهش بازتاب و جذب در بالای 450 nm شد، به دلیل تداخل مخرب و جذب حامل آزاد ضعیفتر.
UPS نشان داد که تابع کار با کاهش ضخامت افزایش مییابد و پس از اصلاح NiOx و بازپخت، اوج تغییر تابع کار در 8 نانومتر مشاهده شد.
اسکنهای ناحیهای KPFM نشان داد که ITO زیر 10 نانومتر تمام نقاط شنت موضعی را سرکوب میکند و ضخامت 8 نانومتر بهترین یکنواختی را ارائه میدهد.
XPS یک جزئیات جالب را آشکار کرد: سطح ITO 8 نانومتر چگالی هیدروکسیل بالاتری نسبت به نمونه 20 نانومتری داشت و این هیدروکسیلها پیوندهای پل In─O─Ni با NiOx تشکیل دادند که باعث پخش یکنواختتر و چسبندگی محکمتر NiOx شد. پس از اصلاح، سیگنال In کاملاً ناپدید شد که نشاندهنده کیفیت عالی لایه پوشش و پایهگذاری مناسب برای خودآرایی SAM بعدی است.
SEM و EDS نیز تأیید کردند که ITO 8 نانومتری پوشش همشکل روی بافت ایجاد میکند.
عملکرد فتوولتائیک سلول تاندوم
(a) تغییرات Jsc در سلولهای تاندوم پروسکایت/سیلیکون؛ (b) تغییرات Voc؛ (c) تغییرات FF؛ (d) تغییرات PCE؛ (e) تصویر SEM مقطع عرضی سلول تاندوم روی ITO؛ (f) الگوی XRD لایه پروسکایت روی ITO؛ (g) طیف PL حالت پایدار لایه پروسکایت روی ITO؛ (h) منحنیهای PL حالت پایدار نرمالشده؛ (i) طیفهای فروپاشی TRPL گذرای لایه پروسکایت روی ITO؛ (j) تصویر فوتولومینسانس سلول تاندوم، مساحت فعال 0.928 سانتیمتر مربع.
هر شش ضخامت اتصال میانی ITO تحت آزمایش J-V قرار گرفتند.
زیر 5 نانومتر، Voc و FF به شدت کاهش یافتند. Voc نمیتوانست از 1.7 ولت فراتر رود و PCE تنها 21.68٪ بود، عمدتاً به دلیل ناپیوستگی لایه روی بافت هرمی.
8 نانومتر بهترین پاسخ بود. SEM مقطع عرضی دانههای پروسکایت بزرگتر و متراکمتر را روی ITO فوقنازک (زیر 10 نانومتر) نشان داد و XRD کیفیت بلوری بهتر را تأیید کرد، اگرچه نمونه 5 نانومتری یک قله PbI₂ را نشان داد که نشانه شروع تخریب بود. شدت PL حالت پایدار از 30 نانومتر تا 8 نانومتر افزایش یافت و سپس دوباره کاهش یافت، بنابراین 8 نانومتر دقیقاً در اوج قرار داشت و با کمترین چگالی نقص مطابقت داشت.
قله مشخصه PL نرمالشده جابجا نشد، به این معنی که ماهیت بازترکیب غیرتابشی سطح مشترک ثابت ماند. طول عمر حاملهای TRPL نیز در 8 نانومتر بیشترین بود. این نتایج به دوقطبی خالص قویتر و تابع کار یکنواختتر ناشی از Poly-SAM برمیگردد که Voc و FF را با هم افزایش میدهد. تصویربرداری PL همچنین نایکنواختی زیرمیکرونی درون زیرسلول پروسکایت را آشکار کرد، اما لایه ITO با مقاومت بالا و فوقنازک دارای مقاومت جانبی بالایی است، بنابراین دامنه شنت موضعی به طور مؤثر محدود شد و هرگز کل دستگاه را تحت تأثیر قرار نداد.
بهبود چگالی جریان
(a) منحنیهای EQE زیرسلولهای پروسکایت و سیلیکون تحت لایه اتصال ITO 8 نانومتری؛ (b) منحنیهای EQE سلولهای تاندوم اولیه و بهینهشده.
لایه IZO جلویی با معیار شایستگی Aw × Rsheet⁻¹ ارزیابی شد و 45 نانومتر بهترین نتیجه را داد. کاهش ضخامت ITO اتصال از 20 نانومتر به 10 نانومتر و سپس به 8 نانومتر، میانگین Jsc را از 19.78 به 19.96 و سپس به 20.55 mA cm⁻² افزایش داد. چگالی جریان یکپارچهشده EQE زیرسلولهای پروسکایت و سیلیکون به ترتیب 20.64 و 20.51 mA cm⁻² بود که با دادههای J-V همخوانی دارد. در مقایسه با ITO 20 نانومتری، ITO 8 نانومتری 0.06 mA cm⁻² اضافی به زیرسلول پروسکایت و 0.47 mA cm⁻² اضافی به زیرسلول سیلیکون داد که بیشترین افزایش مربوط به سهم مادون قرمز نزدیک از سلول پایینی سیلیکون بود.
کاربرد محصول
عملکرد و پایداری دستگاه
(a) ساختار شماتیک و عکس سلول خورشیدی تاندوم پروسکایت/سیلیکون؛ (b) تصویر SEM مقطع عرضی سلول تاندوم؛ (c) منحنیهای J-V زیرسلولهای تکاتصالی پروسکایت و سیلیکون؛ (d) منحنی J-V نماینده سلول با عملکرد بالا؛ (e) تغییرات Rs در سلولهای تاندوم پروسکایت/سیلیکون ساختهشده با لایههای اتصال ITO از 30 نانومتر تا 2 نانومتر؛ (f) نتایج آزمون MPPT سلول تاندوم کپسولهشده تحت تابش 1 خورشید.
پس از تنظیم ضخامت لایه اتصال ITO، میانگین PCE دستگاههای تاندوم از 28.64% به 30.67% افزایش یافت. ITO 2 نانومتری مقاومت سری Rs تا 41.26 Ω داشت، بنابراین اتصال سری عملاً قطع شده بود. Rs در 8 نانومتر بسیار کمتر بود، امپدانس داخلی کاهش یافت و افت ولتاژ نزدیک نقطه حداکثر توان کوچکتر شد. از نظر پایداری، سلول تاندوم با ITO 8 نانومتری پس از 500 ساعت MPPT، 96% از PCE اولیه خود را حفظ کرد، در حالی که سلول با ITO 20 نانومتری تنها 90% را نگه داشت و این سلول را در میان پایدارترینها در خانواده اتصال TCO/SAM قرار داد. چرا اینقدر پایدار؟ پوشش Poly-SAM بالا است و تبلور پروسکایت نیز بهبود مییابد.
مناطق پوششدادهشده توسط SAM انرژی سطحی پایینی دارند و گروههای فسفونیک اسید با Pb²⁺ و FA⁺ هماهنگ میشوند و باعث رشد آهسته و منظم پروسکایت میشوند، در نتیجه دانهها بزرگ میشوند. در مناطق ITO خالی، چنین اثر قالبی وجود ندارد، هستهزایی سریع و نامنظم است و دانهها کوچک با مرزهای دانه فراوان میشوند. علاوه بر این، Poly-SAM پیوندهای اشباعنشده و جای خالی هالید در سطح مشترک را غیرفعال میکند، مهاجرت هالید سرکوب میشود و تخریب کند میشود. پتانسیل سطحی یکنواختی که خود ITO بسیار نازک ایجاد میکند نیز کمک میکند و با انباشته شدن چندین عامل، طول عمر دستگاه افزایش مییابد.
آزمایش پایداری MPPT در اینجا به یک شبیهساز خورشیدی LED از درجه 3A+ به عنوان منبع نور پیری متکی است که میتواند دمای سلول و جو اطراف را به چندین روش برای انجام آزمایش پایداری طولانیمدت کنترل کند.
نتیجهگیری و چشمانداز
8 نانومتر ضخامت بهینه اتصال ITO برای سلولهای پشت سر هم پروسکایت/سیلیکون است. این ضخامت هم کیفیت بلوری پروسکایت را افزایش میدهد و هم جذب انگلی را کاهش میدهد. پس از اصلاح NiOx و عاملیسازی Poly-SAM، پتانسیل سطح یکنواختتر و تغییر تابع کار بارزتر میشود. سطح ITO 8 نانومتری حاوی هیدروکسیلهای بیشتری است، NiOx به طور یکنواخت پخش میشود، SAM به صورت متراکم بستهبندی میشود و پوشش همشکل روی بافت توسط SEM و EDS تأیید شد. در مقایسه با ITO معمولی 20 نانومتری، دستگاه بهینهشده به بازده قهرمان 31.80٪ دست یافت، با Jsc افزایش 0.85 mA cm⁻² و حفظ 96٪ از بازده اولیه پس از 500 ساعت MPPT.
با نگاه به آینده، هنوز جای بهبود زیادی وجود دارد. بافت پشتی و بازتابنده نوری را میتوان بیشتر بهبود بخشید تا تله نوری در سلول پایینی سیلیکون تقویت شود، جریان آن افزایش یابد و تطبیق جریان محقق شود. FF و Voc همچنان گلوگاههای محدودکننده بازده کلی هستند، بنابراین استراتژیهای غیرفعالسازی تماس باید عمیقتر شوند. معماریهای اتصال جایگزین مانند اتصالات تونلی مبتنی بر سیلیکون نیز ارزش امتحان کردن دارند. وقتی صحبت از مقیاسسازی به تولید میشود، ضخامت TCO و طراحی شبکه فلزی باید با هم تنظیم شوند، به طوری که در مناطق بزرگ سایهزنی بیش از حد سنگین نباشد و رسانش جانبی آسیب نبیند. و با یک لایه نازکتر، مصرف ایندیم کاهش مییابد، بنابراین مزایای پایداری نیز به همراه دارد.
دیدگاه Ooitech
نکته قابل توجه این است که چند نانومتر ITO میتواند هم اپتیک و هم تبلور را روی آن بافت هرمی ۶۰۰ نانومتری تغییر دهد، و همان مشکل پوشش همشکل دقیقاً زمانی ظاهر میشود که خطوط تاندوم از کوپنهای آزمایشگاهی به ماژولهای سایز کامل منتقل میشوند. در خط تولید، مراحل تبستر-استرینگر، لایهگذاری و لمینیت همگی باید به این اتصالات شکننده و واسطهای SAM احترام بگذارند، جایی که تجهیزات خط ماژول یکنواخت و خوب تنظیم شده ارزش خود را نشان میدهند. اگر میخواهید ببینید این فرآیندها در مقیاس واقعی کارخانه چگونه هستند، کانال یوتیوب Ooitech در www.youtube.com/ooitech ارزش دنبال کردن دارد.
