Кіріспе

Толық перовскитті тандемді күн модульдері жоғары тиімділігі мен төмен шығынды әлеуетінің арқасында келесі буын фотоэлектрлік технологиясының мықты үміткері ретінде кеңінен танылған. Дегенмен, үлкен ауданды коммерцияландыру айтарлықтай тежелді. Шағын ауданды құрылғылар 30% тиімділіктен асып кеткенімен, үлкен ауданды модульдер (≥20 см²) ұзақ уақыт бойы 24.5% шамасында тұрып қалды. Негізгі кінәлілер - дәстүрлі алтын негізіндегі туннельдік рекомбинациялық түйіспелердегі (TRJ) Au/PEDOT:PSS құрылымының күшті жақын инфрақызыл паразиттік сіңіруі және интерфейстік термиялық тұрақсыздығы, сондай-ақ пышақпен жабу кезінде біркелкі емес кристалданудан туындаған үлкен ауданды Pb-Sn перовскит қабықшаларындағы заряд тасымалының нашарлауы.

Бұл зерттеу беті өңделген In₂O₃ нанокристалдарына негізделген ерітінділік өңделген TRJ әзірлейді. Нанокристалдардың морфологиясы мен беттік химиясын реттеу арқылы топ жоғары оптикалық мөлдірлікке, тегіс интерфейстерге және идеалды энергия деңгейлерінің сәйкестігіне қол жеткізді. Сонымен қатар, Pb-Sn перовскит прекурсорына фосфон қышқылы типті қоспалар енгізіліп, In₂O₃ рекомбинациялық қабатымен электрондық байланысты жақсарту, тесік экстракциясын күшейту және үлкен ауданды қабықшалардағы қалдық кернеуді жеңілдету үшін кристалдану кинетикасын реттеу жүзеге асырылды. Бұл біріктірілген стратегия түйіспедегі заряд рекомбинациясының тиімділігін, заряд экстракциясын және үлкен ауданды қабықшаның біркелкілігін бір уақытта арттырып, соңында 65 см² апертура ауданында JET сертификатталған 26.2% тиімділікке (VOC = 2.182 В, FF = 77.4%, JSC = 15.6 мА см⁻²) қол жеткізді — бұл толық перовскитті тандемді фотоэлектрлік құрылғыларды масштабтау жолындағы маңызды кезең.

Жаңа TRJ дизайны мен артықшылықтары

Жұмыс ерітінділік өңдеуге балама ұсынады: беті инженерияланған индий оксиді нанокристалдарынан (In₂O₃ NCs) құрастырылған жаңа TRJ (III тип). Ол дәстүрлі Au/PEDOT:PSS I типті құрылыммен және коммерциялық ITO нанокристалдарына негізделген II типті құрылыммен жүйелі түрде салыстырылады.

Құрылым және интерфейс сипаттамалары

Өздігінен синтезделген In₂O₃ NCs коммерциялық ITO NCs-ке қарағанда әлдеқайда кіші бөлшек мөлшеріне ие, тегіс көмілген интерфейс құрайды және жанасу ақауларының тығыздығын тиімді төмендетеді. Электрлік сынақтар III типті құрылым заряд тасымалдау кедергісі жоқ идеалды омдық жанасу әрекетін көрсететінін көрсетеді.

Оптикалық және термиялық тұрақтылық

Оптикалық сипаттама I типтегі PEDOT:PSS ауыр паразиттік жұтылу шығынын тудыратынын, ал In₂O₃ NC пленкасы жоғары оптикалық мөлдір екенін көрсетеді. 85°C жеделдетілген термиялық қартаю кезінде I типті модульдің тиімділігі 50 сағат ішінде бастапқы мәнінің жартысынан төмен түсті, ал NC негізіндегі II және III типтер 200 сағаттан кейін бастапқы тиімділіктің шамамен 75% сақтады. 10×10 см² субстратта, пышақпен жабылған NC пленкалары жұқа термиялық буланған Au пленкаларына қарағанда әлдеқайда біркелкі оптикалық жұтылуды көрсетті, бұл масштабталатын өндірісте ерітінділік өңделген нанокристалдардың артықшылығын толық көрсетеді.

Үлкен аумақты перовскит пленкасын өндіруді оңтайландыру

TRJ оптикалық шығыны мен тұрақсыздығы шешілгеннен кейін, үлкен аумақты Pb-Sn перовскит пленкаларын біркелкі өндіру келесі техникалық кедергіге айналды. Дәстүрлі DMF/DMSO еріткіш жүйелерінің қайнау температурасы жоғары және ұшқыштығы баяу, сондықтан олардың ядро түзу кинетикасы жоғары жылдамдықты пышақпен жабу кезінде артта қалады, бұл үлкен субстраттарда біркелкі пленкаларды қалыптастыруды қиындатады.

Мұны шешу үшін топ 2-метоксиэтанол (2-Me) және тетрагидрофуран (THF) негізіндегі екілік еріткіш жүйесін әзірледі. Төмен қайнау температурасы мен жоғары бу қысымымен бұл жүйе критикалық аса қанығуға тез жетеді және ядро түзуді айтарлықтай жеделдетеді. Оны қолдана отырып, Pb-Sn перовскит пышақпен жабу жылдамдығы дәстүрлі DMF жүйесіндегі 5 мм/с-тан 30 мм/с-қа дейін көтерілді, бұл 10×10 см² және одан үлкен субстраттарда жоғары біркелкі фотолюминесценция (PL) қарқындылығы мен тамаша құрылғы сәйкестігін қамтамасыз етті. Бұл үлкен аумақты жабу кристалдану кинетикасы мәселесін сәтті шешіп, 65 см² апертура ауданында 17.5% тиімділікті алдын ала растады.

Беттік лиганд инженериясы және энергия деңгейлерін сәйкестендіру

PEDOT:PSS жойылғаннан кейін оптикалық шығындар азайды, бірақ ашық тізбек кернеуі (VOC) және толтыру коэффициенті (FF) төмендеді, бұл перовскит пен NC қабаты арасындағы интерфейстік тасымалдау кедергілерінің және радиациялық емес рекомбинацияның артуына байланысты. Бұл мәселені шешу үшін зерттеу екі жақты синергетикалық оңтайландыру стратегиясын жүзеге асырды:

Энергия деңгейлерін реттеу үшін беттік лиганд инженериясы

Лиганд алмасу арқылы MMES және MMPA In₂O₃ NCs бетін модификациялау үшін қолданылды. Ультракүлгін фотоэлектрондық спектроскопия (UPS) MMPA-модификацияланған In₂O₃ NCs мақсатты перовскит пленкасымен қолайлы интерфейстік жолақ иілуіне (шамамен 50 мэВ жоғары иілу) қол жеткізетінін көрсетті, бұл тесіктердің экстракциясын айтарлықтай жақсартады, ал OAm немесе MMES модификациясы төмен қарай иілуге және тасымалдау кедергісіне әкелді. Кеңістік зарядымен шектелген ток (SCLC) сынақтары лигандтардың ұтқырлыққа кедергісін жоққа шығарды, бұл өнімділіктің артуы негізінен оңтайландырылған энергия деңгейлерінің туралануына байланысты екенін растады.

Фосфон қышқылы тесік-селективті материалмен (HSM) көлемдік допинг

Зерттеу тобы фосфон қышқылы HSM-дерді, мысалы MeO-2PACz, интерфейсті модификациялаумен шектелмей, тікелей Pb-Sn перовскит прекурсорына (0,2 моль% оңтайландырылған) енгізді. Бұл көлемдік допинг стратегиясы үлкен аумақтарда SAM жабынының біркелкі болмауы мәселесін болдырмайды. UPS көрсеткендей, HSM допингінен кейін перовскиттің жұмыс функциясы 5,04 эВ-тан 4,81 эВ-қа ауысты, валенттік зонаның максимумы жоғарылады және n-типті сипаты әлсіреді, бұл In₂O₃ NCs энергия деңгейлеріне жақсырақ сәйкес келеді. Нәтижесінде HTL-сіз бір қосылысты Pb-Sn элементі 23% тиімділікке жетті, ал In₂O₃-MMPA NCs тесік тасымалдау қабаты (HTL) ретінде қолданылған пышақпен жабылған құрылғы 24,0% кері сканерлеу тиімділігіне және 33,8 мА см⁻² JSC мәніне қол жеткізді.

HSM-нің Перовскит Пленкасына Көптеген Рөлдері

HSM-нің рөлі заряд тасымалдауынан әлдеқайда асып түседі — ол пленканың кристалдануына және ақаулардың пассивациясына терең әсер етеді:

Кристалдануды бақылау және ақауларды басу

Сканерлеуші электрондық микроскопия (SEM) HSM допингінен кейін Pb-Sn пленкасындағы дән шекараларын кесіп өтетін дендритті қоспалар жойылып, дән мөлшері айтарлықтай өскенін және дән шекаралары «біріккен» көрініске ие болғанын көрсетті. GIWAXS және XRD HSM PbI₂ қоспа фазасының түзілуін тиімді басатынын растады. Сұйық күйдегі ¹H ЯМР HSM протондардың артықшылықты бөлінуі арқылы бос қышқыл фосфон топтарын тұтынатынын, осылайша олардың FA⁺ катиондарының қышқылдық депротонациясын болдырмайтынын және прекурсор химиясын тұрақтандыратынын көрсетті.

Жақсартылған тасымалдаушы динамикасы

Өтпелі абсорбциялық спектроскопия (TAS) HSM допингтен кейін ақауларға байланысты радиациялық емес рекомбинацияның айтарлықтай басылғанын көрсетті. Тұрақты күйдегі PL қарқындылығы күрт өсті, орташа PL өмір сүру уақыты 1042 нс-тен 1889 нс-ке дейін ұзарды, әсіресе төменгі интерфейсте күшті пассивация байқалды, бұл көмілген интерфейстегі зарядтың ұсталуын тиімді төмендетті. OPTP спектроскопиясы мақсатты пленканың тасымалдаушы қозғалғыштығы 20 см² В⁻¹ с⁻¹-ден 36 см² В⁻¹ с⁻¹-ге дейін, ал диффузия ұзындығы 2,65 мкм-ден 4,78 мкм-ге дейін өскенін көрсетті, бұл көлемді пленка сапасының жан-жақты жақсарғанын растайды.

Үлкен аумақты модульдің өнімділігі мен тұрақтылығы

Осы синергетикалық стратегияларға сүйене отырып, команда 65 см² апертура ауданы (тізбектей жалғанған 14 ішкі элемент) бар толық перовскитті тандем модулін жасады. III типті (In₂O₃-MMPA) TRJ қолданылған чемпион модулі 26,6% зертханалық сыналған тиімділікке (кері сканерлеу) қол жеткізді, VOC = 30,4 В, JSC = 1,12 мА см⁻², FF = 78,2%. Оның JET сертификатталған тұрақтандырылған тиімділігі 26,2% жетті, бұл дәстүрлі I типті TRJ (24,8%) қолданылған бақылау модулінен айтарлықтай жоғары. Өлі аймақты оңтайландырудан кейін геометриялық толтыру коэффициенті 96,5% жетті, бұл белсенді аумақтың тиімділігін 27,6% дейін жеткізді. EQE кеңістіктік картасы 16 түрлі позицияда жоғарғы және төменгі ішкі элементтердің интегралды ток тығыздықтары сәйкесінше орташа 16,3 және 16,2 мА см⁻² құрағанын көрсетті — бұл J-V нәтижелерімен тығыз сәйкес келеді және бұрын хабарланған 15 мА см⁻² модульдік шектеуді еңсерді.

Сенімділік тұрғысынан, IEC 61215:2021 стандартына сәйкес, инкапсуляцияланған III типті модуль үздіксіз 1 күн MPP бақылауында T90 өмір сүру уақытына (бастапқы тиімділіктің 90% сақтау) 771 сағатта жетті және 1000 сағаттан кейін әлі де 82,5% тиімділікті сақтады. Қатаң 85°C/85% ылғалды жылу сынағында (ISOS-D-3) III типті модуль орташа T84 өмір сүру уақытына 1000 сағатта жетті, ал I типті модульдің тиімділігі 40% төмендеді; -40°C-тан 85°C-қа дейінгі термиялық цикл сынағында (ISOS-T-3) III типті модуль 200 циклден кейін бастапқы тиімділіктің 93% сақтады. Барлық жеделдетілген қартаю эксперименттері III типтің тамаша тұрақтылығы PEDOT:PSS тудыратын тұрақсыздық факторларын толығымен жоюдан туындайтынын растады.

Беттік инженерияланған In₂O₃ нанокристалды рекомбинациялық түйіспелер және синергетикалық көлемді/шекаралық HSM инженериясы арқылы бұл жұмыс 65 см² апертура алаңында 26,2% сертификатталған тиімділікке ие толық перовскитті тандемді күн модуліне қол жеткізді, модуль өлшемі, тиімділік және пайдалану тұрақтылығы бойынша кешенді серпілістерді қамтамасыз етті. Жұмыс толық перовскитті тандемді фотоэлектрлік технологияның коммерцияландыру әлеуетін күшті көрсетеді. Алдағы уақытта модуль алаңын 800 см²-ден асыру үшін кең және тар саңылаулы суб-ұяшықтардың жоғары сапалы, біркелкі өндірісін қамтамасыз ету үшін вакуумдық кристаллизация сияқты әдістермен бірге slot-die жабыны сияқты тұндыру процестерін синергетикалық оңтайландыру қажет болады.

Эталондық және сынақ жабдықтары

A+AA+ дәрежелі LED күн симуляторын қартаю көзі ретінде пайдаланатын композиттік перовскитті MPPT сынаушысы озық технология және көпфункционалды дизайн арқылы перовскитті күн элементтерін зерттеуге күшті қолдау көрсетеді. Мұндай аспаптар негізінен дайын перовскитті бір түйінді және тандемді элементтердің тұрақтылығын сынау үшін қолданылады. Перовскитті элементтердің шығыс сипаттамалары жарық пен температура сияқты қоршаған орта факторларына оңай әсер ететіндіктен, максималды қуат нүктесі жиі өзгереді. MPPT контроллері максималды қуат нүктесін нақты уақытта бақылап, бекітеді, жүйенің әрқашан оңтайлы қуат шығысында жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

Анықтама: Нанокристалмен бейімделген рекомбинация толық перовскитті тандемді күн модульдері үшін

Ooitech көзқарасы

Ooitech сенеді: беттік инженерияланған In₂O₃ нанокристалды рекомбинациялық түйіспелер HSM көлемді/шекаралық инженериясымен бірге үлкен аумақты толық перовскитті тандемді модульдерді сертификатталған 26,2% тиімділікке жеткізді, бұл технологияны коммерцияландыруға бір шешуші қадам жақындатты.