Perovskite/Silicon Tandem Cells: 8nm ITO Interconnect Layer Nakakamit ang 31.80% Efficiency
Talaan ng Nilalaman
Pagpapakilala ng Produkto
Ang monolithic perovskite/silicon tandem solar cells ay isa sa mga pinakamalinaw na ruta lampas sa efficiency ceiling ng single-junction devices. Ang top cell at bottom cell ay konektado sa series sa pamamagitan ng recombination interconnect layer, at kung gaano kaganda ang interface na iyon ang nagtatakda kung ang mga carrier ay maaaring ma-transport at ma-recombine nang maayos. Ang problema ay nasa micro-pyramid textured surface ng silicon heterojunction (SHJ) bottom cell. Ang mga pyramid ay humigit-kumulang 600 nm ang taas, at sa terrain na iyon ang recombination layer ay dumaranas ng optical parasitic loss habang ang self-assembled monolayer (SAM) ay hindi kailanman kumakalat nang pantay. Sa paglipas ng panahon, ito ay nagpapababa ng performance ng device.
Sinukat ng gawaing ito ang indium tin oxide (ITO) interconnect layers mula 2 hanggang 30 nm ang kapal at natuklasan na ang ultrathin na 8 nm layer ay pinakamahusay sa dalawang aspeto nang sabay: pagbawas ng optical loss at pagpapabuti ng surface potential uniformity. Nang maipatong ang NiOx modification at Poly-SAM functionalization, ang short-circuit current density ay tumaas ng 0.85 mA cm⁻² upang umabot sa 20.82 mA cm⁻², ang power conversion efficiency ay umabot sa 31.80%, at pagkatapos ng 500 oras ng maximum power point tracking ang device ay nagpapanatili pa rin ng 96% ng paunang efficiency nito.
Eksperimental na Paraan
Ang SHJ bottom cell ay gumamit ng n-type silicon wafers, 110 ± 10 µm ang kapal, KOH double-side textured sa mga pyramid na humigit-kumulang 600 nm ang taas. Pagkatapos ng RCA cleaning, ang PECVD ay nagdeposito ng passivation at doped layers nang sunud-sunod: ang front side ay nakakuha ng 8 nm intrinsic a-Si:H(i) at 15 nm n-type nc-SiOx:H(n), ang back side ay nakakuha ng 8 nm p-type a-Si:H(p), pagkatapos ay 110 nm ITO ang na-sputter at 700 nm Ag ang na-evaporate sa likod. Sa harap, anim na ITO interconnect thicknesses ang hiwalay na naideposito: 2, 5, 8, 10, 20 at 30 nm, na-anneal sa 180°C at laser scribed.
Sinundan ng perovskite top cell ang rutang ito. Ang bottom cell ay na-anneal at na-UV-ozone treat muna, pagkatapos ay na-deposito ang NiOx sa pamamagitan ng magnetron sputtering, sinundan ng isa pang anneal at UV-ozone step. Sa loob ng nitrogen glovebox, ang Poly-SAM ay spin-coated (0.5 mg mL⁻¹, solvent methanol at chlorobenzene sa 1:1) at na-anneal sa 100°C. Ang perovskite ay Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ na may 1.68 eV bandgap, spin-coated sa dalawang hakbang, na may chlorobenzene na tinutulo bilang antisolvent habang nasa high-speed stage at na-bake sa 100°C ng 20 minuto. Ang ibabaw ay inayos gamit ang PDADI, pagkatapos ay thermally evaporated ang C₆₀, pinatubo ang SnO₂ sa pamamagitan ng ALD, nag-sputter ng 45 nm IZO, nag-evaporate ng Ag electrodes, at sa huli ay tinakpan ng MgF₂ anti-reflection film ang stack.
Technical Advantages
Optoelectronic Properties ng ITO Interconnect Layer
(a) Rsh, Ne at µ versus kapal (n = 10); (b) optical absorptance at reflectance ng ITO layer; (c) work function versus kapal; (d) work function shift (ΔWF) bago at pagkatapos ng NiOx treatment sa iba't ibang kapal; (e) schematic ng SAM distribution sa NiOx-modified ITO; (f) KPFM surface potential maps ng 2–30 nm interconnect ITO; (g) KPFM surface potential maps ng 8 nm interconnect ITO bago at pagkatapos ng NiOx at Poly-SAM functionalization.
Ipinakita ng Hall effect measurements na bumababa ang sheet resistance habang tumataas ang kapal ng film, na siyang inaasahan. Ang carrier concentration ay nanatiling medyo steady sa pagitan ng 8 at 30 nm, mga 2.8 hanggang 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, ngunit kapag bumaba ka sa ibaba ng 8 nm nagsisimula itong bumagsak. Bahagyang bumaba lamang ang mobility sa makitid na 2 hanggang 8 nm na window, senyales na buo pa rin ang integridad ng film. Ang 8 nm ay eksaktong nasa sweet spot kung saan sapat na kababa ang sheet resistance at hindi pa bumagsak ang electrical performance.
(a) Peak-fitted O 1s high-resolution XPS spectrum ng ITO layer sa textured c-Si bottom cell surface. (b) High-resolution XPS spectra ng 8 nm ITO layer sa textured c-Si bottom cell bago at pagkatapos ng NiOx modification. (c) Cross-sectional SEM image ng 8 nm ITO layer sa textured c-Si bottom cell. (d) Katumbas na EDS elemental maps ng focused region ng 8 nm ITO sample, na may color-element legend sa kanang itaas.
Sa optically, ang pagpapapayat ng ITO ay nagpababa ng parehong reflectance at absorptance sa itaas ng 450 nm, dahil sa destructive interference at mas mahinang free-carrier absorption.
Ipinakita ng UPS na tumataas ang work function habang lumiliit ang kapal, at pagkatapos ng NiOx modification at annealing ang work function shift ay umabot sa pinakamataas sa 8 nm.
Ipinakita ng KPFM area scans na pinigilan ng sub-10 nm ITO ang lahat ng lokal na shunt points, kung saan ang 8 nm ang nagbigay ng pinakamahusay na uniformity.
Nakita ng XPS ang isang kawili-wiling detalye: ang 8 nm ITO surface ay may mas mataas na hydroxyl density kaysa sa 20 nm, at ang mga hydroxyl na iyon ay bumuo ng In─O─Ni bridge bonds kasama ng NiOx, na nagpapahintulot sa NiOx na kumalat nang mas pantay at dumikit nang mas matibay. Pagkatapos ng modification ang In signal ay tuluyang nawala, na nagsasabing ang kalidad ng coverage layer ay napakahusay at naglatag ng magandang pundasyon para sa SAM self-assembly na susunod.
Kinumpirma rin ng SEM at EDS na ang 8 nm ITO ay nagbigay ng conformal coverage sa texture.
Tandem Cell Photovoltaic Performance
(a) Pagbabago ng Jsc sa perovskite/silicon tandem cells; (b) pagbabago ng Voc; (c) pagbabago ng FF; (d) pagbabago ng PCE; (e) cross-sectional SEM image ng tandem cell sa ITO; (f) XRD pattern ng perovskite film sa ITO; (g) steady-state PL spectrum ng perovskite film sa ITO; (h) normalized steady-state PL curves; (i) transient TRPL decay spectra ng perovskite film sa ITO; (j) photoluminescence image ng tandem cell, active area 0.928 cm².
Lahat ng anim na ITO interconnect thicknesses ay dumaan sa J-V testing.
Sa ibaba ng 5 nm, malakas na bumagsak ang Voc at FF. Hindi mapataas ang Voc lampas 1.7 V at ang PCE ay umabot lamang sa 21.68%, pangunahin dahil ang film ay hindi na tuloy-tuloy sa pyramid texture.
Ang 8 nm ang pinakamahusay na sagot. Ipinakita ng cross-sectional SEM na ang perovskite grains ay mas malaki at mas siksik sa ultrathin ITO (sa ilalim ng 10 nm), at kinumpirma ng XRD ang mas mahusay na crystalline quality, bagaman ang 5 nm sample ay naglabas ng PbI₂ peak, tanda na nagsimula nang mag-degrade. Ang steady-state PL intensity ay umakyat mula 30 nm pababa sa 8 nm, pagkatapos ay bumagsak muli, kaya ang 8 nm ay nasa tuktok mismo, tumutugma sa pinakamababang defect density.
Hindi nagbago ang normalized PL characteristic peak, ibig sabihin ang likas na katangian ng interface non-radiative recombination ay nanatiling pareho. Ang TRPL carrier lifetimes ay pinakamahaba rin sa 8 nm. Ang mga resultang ito ay nagmumula sa mas malakas na net dipole at mas pantay na work function na dala ng Poly-SAM, na nagtataas ng Voc at FF nang sabay. Ang PL imaging ay naglantad din ng sub-micron non-uniformity sa loob ng perovskite sub-cell, ngunit ang ultrathin high-resistance ITO layer ay may mataas na lateral resistivity, kaya ang abot ng lokal na shunting ay epektibong napigilan at hindi kailanman hinila pababa ang buong device.
Pagpapabuti ng Current Density
(a) Mga EQE curve ng perovskite at silicon sub-cells sa ilalim ng 8 nm ITO interconnect layer; (b) mga EQE curve ng initial at optimized tandem cells.
Ang front IZO layer ay ni-rate gamit ang figure of merit na Aw × Rsheet⁻¹, at ang 45 nm ang naging pinakamahusay. Ang pagpapapayat ng interconnect ITO mula 20 nm hanggang 10 nm hanggang 8 nm ay nagtaas ng average na Jsc mula 19.78 hanggang 19.96 hanggang 20.55 mA cm⁻². Ang EQE-integrated current densities ng perovskite at silicon sub-cells ay 20.64 at 20.51 mA cm⁻² ayon sa pagkakabanggit, na tumutugma sa J-V data. Kung ikukumpara sa 20 nm ITO, ang 8 nm ay nagbigay sa perovskite sub-cell ng dagdag na 0.06 mA cm⁻² at sa silicon sub-cell ng dagdag na 0.47, kung saan ang near-infrared contribution mula sa silicon bottom cell ang pinakamalaki ang nakuha.
Paggamit ng Produkto
Pagganap at Katatagan ng Device
(a) Schematic structure at larawan ng perovskite/silicon tandem solar cell; (b) cross-sectional SEM image ng tandem cell; (c) J-V curves ng single-junction perovskite at silicon sub-cells; (d) representative J-V curve ng high-performance cell; (e) variation ng Rs sa perovskite/silicon tandem cells na ginawa sa 30 nm hanggang 2 nm ITO interconnect layers; (f) MPPT test results ng encapsulated tandem cell sa ilalim ng 1-sun illumination.
Nang maayos na ang kapal ng ITO interconnect, ang average na PCE ng tandem devices ay tumaas mula 28.64% hanggang 30.67%. Ang 2 nm ITO ay may series resistance Rs na kasingtaas ng 41.26 Ω, kaya ang series connection ay halos naputol. Ang Rs ng 8 nm ay mas mababa, bumaba ang internal impedance, at lumiit ang voltage loss malapit sa maximum power point. Sa katatagan, ang 8 nm ITO tandem cell ay nagpanatili ng 96% ng initial PCE nito pagkatapos ng 500 oras ng MPPT, habang ang 20 nm ay nagpanatili lamang ng 90%, na naglalagay dito sa isa sa pinakamatatag sa TCO/SAM interconnect family. Bakit napakatatag? Mataas ang Poly-SAM coverage, at bumubuti rin ang perovskite crystallization kasabay nito.
Ang mga rehiyon na sakop ng SAM ay may mababang surface energy, at ang mga phosphonic acid group ay nakikipag-ugnayan sa Pb²⁺ at FA⁺, na gumagabay sa perovskite na tumubo nang dahan-dahan at sa maayos na paraan, kaya lumalaki ang mga butil. Sa mga hubad na rehiyon ng ITO ay walang ganoong template effect, mabilis at magulo ang nucleation, at nagiging maliit ang mga butil na may maraming grain boundaries. Bukod pa rito, pinapassivate ng Poly-SAM ang mga unsaturated bond at halide vacancy sa interface, nasusugpo ang halide migration, at bumagal ang degradation. Nakakatulong din ang pantay na surface potential na dala mismo ng ultrathin ITO, at sa pagsasama-sama ng ilang salik, tumataas ang buhay ng device.
Ang MPPT stability testing dito ay umaasa sa isang LED solar simulator na 3A+ grade bilang aging light source, na kayang kontrolin ang temperatura ng cell at ang nakapaligid na atmospera sa ilang paraan upang magsagawa ng pangmatagalang stability testing.
Konklusyon at Pananaw
Ang 8 nm ay ang pinakamainam na kapal ng ITO interconnect para sa perovskite/silicon tandem cells. Ang kapal na ito ay parehong nagpapataas ng kalidad ng kristal ng perovskite at pumipigil sa parasitic absorption. Pagkatapos ng NiOx modification at Poly-SAM functionalization, nagiging mas pantay ang surface potential at mas malinaw ang pagbabago ng work function. Ang 8 nm ITO surface ay may mas maraming hydroxyl, pantay na kumakalat ang NiOx, siksik ang pagkakabalot ng SAM, at ang conformal coverage sa texture ay na-verify ng SEM at EDS. Laban sa karaniwang 20 nm ITO, naabot ng na-optimize na device ang champion efficiency na 31.80%, tumaas ang Jsc ng 0.85 mA cm⁻² at 96% ng inisyal na efficiency ang napanatili pagkatapos ng 500 oras ng MPPT.
Sa hinaharap, marami pa ring dapat pagbutihin. Ang rear texture at optical reflector ay maaaring higit pang pinuhin upang palakasin ang light trap sa silicon bottom cell, itaas ang current nito, at maayos ang current matching. Ang FF at Voc ay nananatiling bottleneck na naglilimita sa kabuuang efficiency, kaya kailangang palalimin ang mga contact passivation strategy. Ang mga alternatibong interconnect architecture tulad ng silicon-based tunnel junctions ay sulit ding subukan. Pagdating sa scaling up para sa produksyon, ang TCO thickness at metallization grid design ay kailangang i-tune nang sabay, upang sa malalaking lugar ay hindi masyadong mabigat ang shading at hindi magdurusa ang lateral conduction. At sa mas manipis na layer, bumababa ang paggamit ng indium, kaya may benepisyo rin sa sustainability.
Pananaw ng Ooitech
Ang kapansin-pansin dito ay ang ilang nanometer ng ITO ay kayang magpabago sa parehong optika at kristalisasyon sa 600 nm pyramid texture na iyon, at ang parehong problema sa conformal-coverage ay eksaktong lumalabas kapag ang mga tandem line ay lumilipat mula sa lab coupons patungo sa full-size modules. Sa production floor, ang tabber-stringer, layup at lamination steps ay kailangang igalang ang mga marupok na interconnect at SAM interfaces na ito, kung saan ang uniform at maayos na nakatutok na module-line equipment ay nagbibigay ng halaga. Kung gusto mong makita kung paano lumalabas ang mga prosesong ito sa tunay na sukat ng pabrika, ang Ooitech YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay sulit i-follow.
