26.2% Certified Efficiency Breakthrough sa Large-Area All-Perovskite Tandem Modules: Ang In₂O₃ Nanocrystal Tunnel Recombination Junction

Panimula

Ang all-perovskite tandem solar modules ay malawakang itinuturing na isang malakas na kalaban para sa susunod na henerasyon ng photovoltaic technology dahil sa kanilang mataas na kahusayan at potensyal na mababang gastos. Ngunit ang komersyalisasyon sa malalaking lugar ay seryosong nahadlangan. Habang ang mga small-area devices ay lumampas na sa 30% na kahusayan, ang large-area modules (≥20 cm²) ay matagal nang natigil sa paligid ng 24.5%. Ang mga pangunahing salarin ay ang malakas na near-infrared parasitic absorption at interfacial thermal instability ng Au/PEDOT:PSS structure sa conventional gold-based tunnel recombination junctions (TRJs), kasama ang degraded charge transport sa large-area Pb-Sn perovskite films na dulot ng non-uniform crystallization sa panahon ng blade coating.

Ang pag-aaral na ito ay bumubuo ng isang solution-processed TRJ na binuo sa surface-engineered In₂O₃ nanocrystals. Sa pamamagitan ng pag-tune ng morpolohiya ng nanocrystal at surface chemistry, nakamit ng koponan ang mataas na optical transparency, makinis na interfaces, at ideal na energy-level alignment. Kasabay nito, ang mga phosphonic-acid-type additives ay ipinakilala sa Pb-Sn perovskite precursor upang mapabuti ang electronic contact sa In₂O₃ recombination layer, mapahusay ang hole extraction, at i-tune ang crystallization kinetics upang mapawi ang residual strain sa malalaking lugar na films. Ang pinagsamang estratehiyang ito ay sabay-sabay na nagpapalakas ng carrier recombination efficiency sa junction, charge extraction, at large-area film uniformity, sa huli ay naghahatid ng JET-certified 26.2% efficiency sa 65 cm² aperture area (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — isang mahalagang milestone sa daan patungo sa pag-scale up ng all-perovskite tandem photovoltaics.

Disenyo at Mga Bentahe ng Bagong TRJ

Ang gawain ay nagmumungkahi ng isang solution-processed na alternatibo: isang bagong TRJ (Type III) na binuo mula sa surface-engineered indium oxide nanocrystals (In₂O₃ NCs). Ito ay sistematikong inihambing sa conventional na Au/PEDOT:PSS Type I na istraktura at isang Type II na istraktura batay sa komersyal na ITO nanocrystals.

Istraktura at mga katangian ng interface

Ang self-synthesized na In₂O₃ NCs ay may mas maliit na particle size kaysa sa komersyal na ITO NCs, na bumubuo ng mas makinis na buried interface at epektibong nagpapababa ng contact defect density. Ipinapakita ng mga electrical test na ang Type III na istraktura ay nagpapakita ng ideal na ohmic contact behavior na walang charge transport barrier.

Optical at thermal stability

Ipinapakita ng optical characterization na ang PEDOT:PSS sa Type I ay nagdudulot ng matinding parasitic absorption loss, samantalang ang In₂O₃ NC film ay lubos na optically transparent. Sa ilalim ng 85°C accelerated thermal aging, ang Type I module efficiency ay bumaba sa kalahati ng initial value nito sa loob ng 50 oras, habang ang NC-based na Type II at Type III ay nagpanatili ng humigit-kumulang 75% ng initial efficiency pagkatapos ng 200 oras. Sa isang 10×10 cm² substrate, ang blade-coated NC films ay nagpakita ng mas uniform optical absorption kaysa sa manipis na thermally evaporated Au films, na ganap na nagpapakita ng inherent advantage ng solution-processed nanocrystals sa scalable manufacturing.

Pag-optimize ng Large-Area Perovskite Film Fabrication

Sa pagresolba ng optical loss at instability ng TRJ, ang uniform fabrication ng malalaking lugar na Pb-Sn perovskite films ay naging susunod na technical barrier. Ang conventional na DMF/DMSO solvent systems ay may mataas na boiling points at mabagal na volatility, kaya ang kanilang nucleation kinetics ay nahuhuli sa high-speed blade coating, na nagpapahirap sa pagbuo ng uniform films sa malalaking substrates.

Upang malutas ito, bumuo ang koponan ng binary solvent system batay sa 2-methoxyethanol (2-Me) at tetrahydrofuran (THF). Dahil sa mababang boiling point at mataas na vapor pressure nito, mabilis na naaabot ng sistemang ito ang critical supersaturation at kapansin-pansing pinapabilis ang nucleation. Gamit ito, ang bilis ng blade-coating ng Pb-Sn perovskite ay itinaas mula 5 mm/s sa tradisyonal na DMF system hanggang 30 mm/s, na naghahatid ng lubos na pare-parehong photoluminescence (PL) intensity at mahusay na device consistency sa 10×10 cm² at mas malalaking substrate. Matagumpay nitong nalutas ang crystallization-kinetics challenge ng large-area coating at nakamit ang paunang 17.5% efficiency validation sa 65 cm² aperture area.

Surface Ligand Engineering at Energy-Level Matching

Matapos alisin ang PEDOT:PSS, bumaba ang optical losses, ngunit bumaba rin ang open-circuit voltage (VOC) at fill factor (FF), na iniuugnay sa pagtaas ng interfacial transport barriers at non-radiative recombination sa pagitan ng perovskite at NC layer. Upang matugunan ito, ipinatupad ng pag-aaral ang dual synergistic optimization strategy:

Surface ligand engineering upang i-tune ang energy levels

Sa pamamagitan ng ligand exchange, ginamit ang MMES at MMPA upang baguhin ang surface ng In₂O₃ NCs. Ipinakita ng UV photoelectron spectroscopy (UPS) na ang MMPA-modified In₂O₃ NCs ay nakakamit ng paborableng interfacial band bending kasama ang target na perovskite film (upward bending na mga 50 meV), na makabuluhang nagpapahusay ng hole extraction, samantalang ang OAm o MMES modification ay nagdulot ng downward bending at transport barrier. Ang space-charge-limited current (SCLC) tests ay nag-alis ng anumang ligand interference sa mobility mismo, na nagpapatunay na ang performance gain ay pangunahing nagmumula sa optimized energy-level alignment.

Bulk doping gamit ang phosphonic-acid hole-selective material (HSM)

Direktang idinagdag ng koponan ang phosphonic-acid HSMs tulad ng MeO-2PACz sa Pb-Sn perovskite precursor (na-optimize sa 0.2 mol%) sa halip na limitahan ang mga ito sa interface modification. Ang bulk doping strategy na ito ay umiiwas sa problema ng hindi pantay na SAM coverage sa malalaking lugar. Ipinakita ng UPS na pagkatapos ng HSM doping, ang perovskite work function ay lumipat mula 5.04 eV patungong 4.81 eV, ang valence band maximum ay umakyat, at ang n-type character ay humina, na mas mahusay na tumutugma sa energy levels ng In₂O₃ NCs. Ang resultang HTL-free single-junction Pb-Sn cell ay umabot sa 23% efficiency, habang ang blade-coated device na gumagamit ng In₂O₃-MMPA NCs bilang hole transport layer (HTL) ay nakamit ang 24.0% reverse-scan efficiency na may JSC na kasing taas ng 33.8 mA cm⁻².

Maraming Papel ng HSM sa Perovskite Film

Ang papel ng HSM ay higit pa sa charge transport — malalim itong nakakaapekto sa film crystallization at defect passivation:

Pagkontrol sa kristalisasyon at pagsugpo ng depekto

Ipinakita ng scanning electron microscopy (SEM) na pagkatapos ng HSM doping, ang mga dendritik na dumi na orihinal na pumuputol sa mga grain boundary sa Pb-Sn film ay nawala, ang laki ng butil ay lumaki nang malaki, at ang mga grain boundary ay nagkaroon ng 'fused' na anyo. Kinumpirma ng GIWAXS at XRD na epektibong pinigilan ng HSM ang pagbuo ng PbI₂ impurity-phase. Ang liquid-state ¹H NMR ay nagpahayag pa na ang HSM, sa pamamagitan ng preferential deprotonation, ay kumokonsumo ng mga libreng acidic phosphonic group, sa gayon ay pinipigilan ang kanilang acidic deprotonation ng FA⁺ cations at pinapatatag ang precursor chemistry.

Pinahusay na carrier dynamics

Ipinakita ng transient absorption spectroscopy (TAS) na ang defect-assisted non-radiative recombination ay lubhang napigilan pagkatapos ng HSM doping. Ang steady-state PL intensity ay tumaas nang husto, ang average na PL lifetime ay pinalawig mula 1042 ns hanggang 1889 ns, na may partikular na malakas na passivation sa ilalim na interface, epektibong binabawasan ang charge trapping sa buried interface. Ipinakita ng OPTP spectroscopy na ang carrier mobility ng target film ay tumaas mula 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ hanggang 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ at ang diffusion length ay lumaki mula 2.65 μm hanggang 4.78 μm, na nagpapatunay ng pangkalahatang pagpapabuti sa kalidad ng bulk film.

Pagganap at Katatagan ng Large-Area Module

Batay sa mga synergistic na estratehiyang ito, gumawa ang koponan ng all-perovskite tandem module na may 65 cm² aperture area (14 sub-cells in series). Ang champion module na gumagamit ng Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ ay umabot sa 26.6% lab-tested efficiency (reverse scan), na may VOC na 30.4 V, JSC na 1.12 mA cm⁻², at FF na 78.2%. Ang JET-certified stabilized efficiency nito ay umabot sa 26.2%, na malinaw na nalampasan ang control module na gumagamit ng conventional Type I TRJ (24.8%). Pagkatapos ng dead-zone optimization, ang geometric fill factor ay umabot sa 96.5%, na nagbibigay ng equivalent active-area efficiency na kasing taas ng 27.6%. Ipinakita ng EQE spatial mapping na, sa 16 na magkakaibang posisyon, ang integrated current densities ng top at bottom sub-cells ay may average na 16.3 at 16.2 mA cm⁻² ayon sa pagkakabanggit — malapit na tumutugma sa mga resulta ng J-V at parehong sinira ang dating naiulat na sub-15 mA cm⁻² module bottleneck.

Sa usapin ng pagiging maaasahan, ayon sa pamantayang IEC 61215:2021, ang encapsulated Type III module ay umabot sa T90 lifetime (pagpapanatili ng 90% ng paunang kahusayan) na 771 oras sa ilalim ng tuloy-tuloy na 1-sun MPP tracking, at nanatili pa ring 82.5% na kahusayan pagkatapos ng 1000 oras. Sa mapanghamong 85°C/85% RH damp-heat test (ISOS-D-3), ang Type III module ay umabot sa average na T84 lifetime na 1000 oras, samantalang ang Type I module ay bumagsak na sa ibaba 40% na kahusayan; sa -40°C hanggang 85°C thermal cycling test (ISOS-T-3), ang Type III module ay nagpanatili ng 93% ng paunang kahusayan pagkatapos ng 200 cycles. Lahat ng accelerated aging experiments ay nagpatunay na ang natatanging stability ng Type III ay nagmumula sa ganap na pag-aalis ng mga instability factors na na-trigger ng PEDOT:PSS.

Sa pamamagitan ng surface-engineered In₂O₃ nanocrystal recombination junctions at synergistic bulk/interface HSM engineering, matagumpay na nakamit ng gawaing ito ang 26.2% certified efficiency all-perovskite tandem solar module sa 65 cm² aperture area, na naghahatid ng komprehensibong pagsulong sa laki ng module, kahusayan, at operational stability. Ang gawain ay malakas na nagpapakita ng potensyal na pang-komersyo ng all-perovskite tandem photovoltaic technology. Sa hinaharap, ang pagtulak sa module area na lampas 800 cm² ay mangangailangan ng synergistic optimization ng mga deposition processes tulad ng slot-die coating kasama ng mga pamamaraan tulad ng vacuum-assisted crystallization, upang matiyak ang mataas na kalidad at pare-parehong paggawa ng malalaking lugar na wide- at narrow-bandgap sub-cells.

Reference at Testing Equipment

Ang isang composite perovskite MPPT tester na gumagamit ng A+AA+ grade LED solar simulator bilang aging source ay nagbibigay ng malakas na suporta para sa perovskite solar cell research sa pamamagitan ng advanced technology at multifunctional design. Ang mga ganitong instrumento ay pangunahing ginagamit para sa stability testing ng mga finished perovskite single-junction at tandem cells. Dahil ang output characteristics ng perovskite cells ay madaling maapektuhan ng environmental factors tulad ng liwanag at temperatura, ang maximum power point ay madalas na nagbabago. Ang isang MPPT controller ay sumusubaybay at nagla-lock ng maximum power point sa real time, tinitiyak na ang sistema ay laging nag-ooperate sa optimal power output.

Reference: Nanocrystal-tailored recombination para sa all-perovskite tandem solar modules

Pananaw ng Ooitech

Naniniwala ang Ooitech: ang surface-engineered In₂O₃ nanocrystal recombination junctions na sinamahan ng HSM bulk/interface engineering ay nagtulak sa malalaking lugar na all-perovskite tandem modules patungo sa certified 26.2% efficiency, na nagdadala sa teknolohiyang ito ng isang mapagpasyang hakbang palapit sa komersyalisasyon.