26.2% Сертификатталған Тиімділік Серпіні Үлкен Ауданды Толық Перовскитті Тандемді Модульдерде: In₂O₃ Нанокристалды Туннельдік Рекомбинациялық Түйіспе

Кіріспе

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

Бұл зерттеу беті инженерленген In₂O₃ нанокристалдарына негізделген ерітіндімен өңделген TRJ әзірлейді. Нанокристалл морфологиясы мен беттік химиясын реттеу арқылы команда жоғары оптикалық мөлдірлікке, тегіс интерфейстерге және идеалды энергия деңгейінің туралануына қол жеткізді. Сонымен қатар, Pb-Sn перовскит прекурсорына фосфон қышқылы типті қоспалар енгізілді, бұл In₂O₃ рекомбинация қабатымен электрондық байланысты жақсарту, тесік экстракциясын күшейту және үлкен аумақты пленкалардағы қалдық кернеуді жеңілдету үшін кристалдану кинетикасын реттеу үшін жасалды. Бұл біріктірілген стратегия бір уақытта түйіспедегі заряд рекомбинациясының тиімділігін, заряд экстракциясын және үлкен аумақты пленка біркелкілігін арттырады, нәтижесінде 65 см² апертура ауданы бойынша JET сертификатталған 26,2% тиімділікке қол жеткізіледі (VOC = 2,182 В, FF = 77,4%, JSC = 15,6 мА см⁻²) — бұл барлық перовскитті тандемді фотоэлектрлік құрылғыларды масштабтау жолындағы маңызды кезең.

Жаңа TRJ дизайны мен артықшылықтары

Жұмыс ерітіндімен өңделген баламаны ұсынады: беті инженерленген 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 контакт ақауларының тығыздығын тиімді төмендетеді. Электрлік сынақтар III типті құрылым заряд тасымалдау кедергісі жоқ идеалды омдық контакт мінез-құлқын 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 модуль тиімділігі 50 сағат ішінде бастапқы мәннің 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 ерітіндімен өңделген нанокристалдардың табиғи 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 жүйелері жоғары қайнау температурасына және баяу ұшқыштыққа ие, сондықтан олардың ядро түзу кинетикасы жоғары жылдамдықты пышақпен жабу кезінде артта қалады, бұл үлкен субстраттарда біркелкі пленкаларды қалыптастыруды қиындатады.

Мәселені шешу үшін команда 2-метоксиэтанол (2-Me) және тетрагидрофуран (THF) негізіндегі екілік еріткіш жүйесін әзірледі. Төмен қайнау температурасы мен жоғары бу қысымының арқасында бұл жүйе критикалық аса қанығуға тез жетеді және ядро түзілуін айтарлықтай жеделдетеді. Оны қолдана отырып, Pb-Sn перовскитін жабындымен жабу жылдамдығы дәстүрлі DMF жүйесіндегі 5 мм/с-тан 30 мм/с-қа дейін арттырылды, бұл 10×10 см² және одан үлкен субстраттарда біркелкі фотолюминесценция (PL) қарқындылығы мен тамаша құрылғы сәйкестігін қамтамасыз етті. Бұл үлкен аумақты жабындының кристалдану кинетикасы мәселесін сәтті шешіп, 65 см² апертура ауданында 17,5% тиімділіктің алдын ала расталуына қол жеткізді.

Беттік лигандтық инженерия және энергия деңгейлерінің сәйкестендірілуі

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. Мәселені шешу үшін зерттеу қос синергетикалық оңтайландыру стратегиясын енгізді:

Энергия деңгейлерін реттеу үшін беттік лигандтық инженерия

Лиганд алмасу арқылы MMES және MMPA In₂O₃ NC бетін модификациялау үшін қолданылды. Ультракүлгін фотоэлектрондық спектроскопия (UPS) MMPA-модификацияланған In₂O₃ NC 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 иілу мен тасымалдау кедергісін тудырды. Кеңістік зарядымен шектелген ток (SCLC) сынақтары лигандтың ұтқырлыққа әсерін жоққа шығарды, бұл өнімділіктің артуы негізінен оңтайландырылған энергия деңгейлерінің сәйкестендірілуіне байланысты екенін растады.

Фосфон қышқылы тесік-селективті материалмен (HSM) көлемдік допинг

Команда MeO-2PACz сияқты фосфон қышқылы HSM-дерді интерфейстік модификациямен шектемей, тікелей Pb-Sn перовскит прекурсорына (0,2 моль% оңтайландырылған) енгізді. Бұл көлемдік допинг стратегиясы үлкен аумақтарда SAM жабынының біркелкі болмау мәселесін болдырмайды. UPS HSM допингтен кейін перовскиттің жұмыс функциясы 5,04 эВ-тан 4,81 эВ-қа ауысқанын, валенттік зонаның максимумы жоғарылағанын және n-типті сипаты әлсірегенін көрсетті, бұл In₂O₃ NC энергия деңгейлеріне жақсырақ сәйкес келеді. Нәтижесінде HTL-сіз бір қосылысты Pb-Sn элементі 23% тиімділікке жетті, ал In₂O₃-MMPA NC тесік тасымалдау қабаты (HTL) ретінде қолданылған жабындымен жабылған құрылғы 24,0% кері сканерлеу тиімділігіне және 33,8 мА см⁻² JSC-ге қол жеткізді.

HSM-нің перовскит пленкасына көптеген рөлдері

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

Кристалдануды бақылау және ақауларды басу

Сканерлеуші электронды микроскопия (SEM) көрсеткендей, HSM қоспасынан кейін Pb-Sn қабықшасындағы дәнаралық шекараларды кесіп өтетін дендритті қоспалар жойылып, дән мөлшері айтарлықтай өсіп, дәнаралық шекаралар «балқыған» көрініске ие болды. GIWAXS және XRD HSM-нің PbI₂ қоспалық фазасының түзілуін тиімді басқанын растады. Сұйық күйдегі ¹H ЯМР HSM-нің артық депротондану арқылы бос қышқыл фосфондық топтарды тұтынатынын, осылайша олардың FA⁺ катиондарының қышқылдық депротондануын болдырмай, прекурсор химиясын тұрақтандыратынын анықтады.

Жақсартылған тасымалдаушы динамикасы

Өтпелі абсорбция спектроскопиясы (TAS) HSM қоспасынан кейін ақауларға байланысты радиациялық емес рекомбинацияның айтарлықтай басылғанын көрсетті. Тұрақты күйдегі PL қарқындылығы күрт өсіп, орташа PL өмір сүру уақыты 1042 нс-тен 1889 нс-ке дейін ұзарды, әсіресе төменгі интерфейсте күшті пассивация байқалып, көмілген интерфейстегі зарядтың ұсталуын тиімді төмендетті. OPTP спектроскопиясы мақсатты қабықшаның 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 көрсетіп, көлемді қабықша сапасының жан-жақты жақсарғанын растады.

Үлкен аумақты модульдің өнімділігі мен тұрақтылығы

Осы синергетикалық стратегияларға сүйене отырып, команда 65 см² апертура ауданы (14 тізбектей жалғанған суб-ұяшық) бар толық перовскитті тандем модулін жасады. Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ қолданылған чемпион модулі зертханалық сынақта 26,6% 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% жетіп, дәстүрлі Type I TRJ (24,8%) қолданылған бақылау модулінен айтарлықтай асып түсті. Өлі аймақты оңтайландырудан кейін геометриялық толтыру коэффициенті 96,5% жетіп, эквивалентті белсенді аумақ тиімділігі 27,6% құрады. EQE кеңістіктік картасы 16 түрлі позицияда жоғарғы және төменгі суб-ұяшықтардың интегралды ток тығыздықтары сәйкесінше орташа 16,3 және 16,2 мА см⁻² екенін көрсетті — бұл J-V нәтижелерімен тығыз сәйкес келеді және бұрын хабарланған 15 мА см⁻²-ден төмен модульдік шектеуді бұзды.

Сенімділік тұрғысынан, IEC 61215:2021 стандартына сәйкес, инкапсуляцияланған III типті модуль үздіксіз 1-күн MPP бақылауы кезінде 771 сағаттық T90 қызмет ету мерзіміне (бастапқы тиімділіктің 90% сақтау) жетті және 1000 сағаттан кейін әлі де 82,5% тиімділікті сақтады. Қатаң 85°C/85% RH ылғалды-ыстық сынағында (ISOS-D-3) III типті модуль орташа T84 қызмет ету мерзіміне 1000 сағат жетті, ал I типті модуль 40% тиімділіктен төмен түсті; -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 әсерінен туындаған тұрақсыздық факторларын толығымен жоюдан туындайтынын растады.

Беттік инженерияланған In₂O₃ нанокристалды рекомбинациялық түйіспелер және синергетикалық көлемді/интерфейстік HSM инженериясы арқылы бұл жұмыс 65 см² апертура аймағында 26,2% сертификатталған тиімділікке ие барлық-перовскитті тандемді күн модулін сәтті жасады, модуль өлшемі, тиімділік және пайдалану тұрақтылығы бойынша кешенді серпілістерге қол жеткізді. Жұмыс барлық-перовскитті тандемді фотоэлектрлік технологияның коммерцияландыру әлеуетін күшті көрсетеді. Алдағы уақытта модуль аймағын 800 см²-ден асыру үшін слот-диэ жабыны сияқты тұндыру процестерін вакуумдық кристалдау сияқты әдістермен бірге синергетикалық оңтайландыру қажет, бұл үлкен аумақты кең және тар жолақты суб-элементтердің жоғары сапалы, біркелкі өндірісін қамтамасыз етеді.

Анықтамалық және сынақ жабдықтары

A+AA+ дәрежелі LED күн симуляторын қартаю көзі ретінде пайдаланатын композиттік перовскит MPPT сынаушысы озық технология және көпфункционалды дизайн арқылы перовскит күн элементтерін зерттеуге күшті қолдау көрсетеді. Мұндай аспаптар негізінен дайын перовскит бір-түйінді және тандемді элементтердің тұрақтылығын сынау үшін қолданылады. Перовскит элементтерінің 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: Нанокристалды рекомбинация арқылы барлық-перовскитті тандемді күн модульдері

Ooitech көзқарасы

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