Mga Perovskite/Silicon Tandem Cell: 8nm ITO Interconnect
Talaan ng Nilalaman
Mabilis na sagot: Ang mga monolithic perovskite/silicon tandem cell ay nag-stack ng perovskite top junction nang direkta sa silicon bottom junction, na may manipis na transparent interconnect layer sa pagitan nila. Ang interconnect na iyon ang engineering crux: kailangan nitong ipasa ang current mula sa isang junction patungo sa isa pa, manatiling optically transparent sa mga wavelength na kailangan ng bottom cell, at makaligtas sa processing ng mga layer sa itaas. Sa gawaing ito ang interconnect ay isang indium tin oxide layer na humigit-kumulang 8 nm ang kapal, na nasa loob ng isang stack na may kasamang mga layer sa 15 nm, 30 nm, 110 nm at isang 600 nm na rehiyon, na may 10 µm na feature sa ibang bahagi ng device. Ang mga pagsukat na ginamit ay sumasaklaw sa mga visible wavelength mula sa blue end hanggang sa near-infrared. Dahil ang layer ay ilang nanometre lamang, ang continuity at doping nito ay kasinghalaga ng kapal nito.
PV Module Manufacturing · ni Jerry, Ooitech
Pagpapakilala ng Produkto
Ang mga monolithic perovskite/silicon tandem solar cell ay isa sa 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 nakakaranas ng optical parasitic loss habang ang self-assembled monolayer (SAM) ay hindi kailanman kumakalat nang pantay. Sa paglipas ng panahon, binababa nito ang performance ng device.
Sinukat ng gawaing ito ang mga indium tin oxide (ITO) interconnect layer mula 2 hanggang 30 nm ang kapal at natuklasan na ang isang ultrathin na 8 nm layer ay pinakamahusay sa dalawang aspeto nang sabay: pagbawas ng optical loss at pagpapabuti ng surface potential uniformity. Nang ma-stack ang NiOx modification at Poly-SAM functionalization sa ibabaw, 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 nagtatag pa rin ng 96% ng paunang efficiency nito.
Experimental Method
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 nag-deposito ng passivation at doped layers nang sunud-sunod: ang front side ay nakakuha ng 8 nm intrinsic a-Si:H(i) kasama ng 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 thickness ang hiwalay na na-deposito: 2, 5, 8, 10, 20 at 30 nm, na-anneal sa 180°C at laser scribed.
Ang perovskite top cell ay sumunod sa rutang ito. Ang bottom cell ay na-anneal at UV-ozone treated muna, pagkatapos ay ang NiOx ay na-deposito sa pamamagitan ng magnetron sputtering, na 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 sa panahon ng high-speed stage at na-bake sa 100°C sa loob ng 20 minuto. Ang ibabaw ay ini-adjust gamit ang PDADI, pagkatapos ay ang C₆₀ ay thermally evaporated, ang SnO₂ ay pinalaki sa pamamagitan ng ALD, 45 nm IZO ang na-sputter, ang mga Ag electrodes ay na-evaporate, at sa wakas isang MgF₂ anti-reflection film ang nagtakip sa stack.
Mga Teknikal na Kalamangan
Mga Optoelectronic Properties ng ITO Interconnect Layer
(a) Rsh, Ne at µ kumpara sa kapal (n = 10); (b) optical absorptance at reflectance ng ITO layer; (c) work function kumpara sa 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.
Ang mga Hall effect measurement ay nagpakita ng sheet resistance na bumababa habang tumataas ang kapal ng film, na siyang inaasahan. Ang carrier concentration ay nanatiling medyo steady sa pagitan ng 8 at 30 nm, humigit-kumulang 2.8 hanggang 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, ngunit kapag bumaba ka sa ibaba ng 8 nm nagsisimula itong bumagsak. Ang mobility ay bahagyang bumaba lamang sa makitid na 2 hanggang 8 nm na window, isang senyales na ang integridad ng film ay buo pa rin. Ang 8 nm ay eksaktong nasa sweet spot kung saan ang sheet resistance ay sapat na mababa at ang electrical performance ay hindi pa bumagsak.
(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 optikal, ang pagpapapayat ng ITO ay nagpababa ng parehong reflectance at absorptance sa itaas ng 450 nm, salamat sa destructive interference kasama ng mas mahinang free-carrier absorption.
Ang UPS ay nagpakita ng work function na tumataas habang lumiliit ang kapal, at pagkatapos ng NiOx modification at annealing ang work function shift ay umabot sa pinakamataas sa 8 nm.
Ang KPFM area scans ay nagsiwalat na ang sub-10 nm ITO ay nag-suppress sa lahat ng local shunt points, kung saan ang 8 nm ang nagbigay ng pinakamahusay na uniformity.
Ang XPS ay nakahanap ng 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 sa NiOx, na nagpapahintulot sa NiOx na kumalat nang mas pantay at kumapit nang mas matibay. Pagkatapos ng modification ang In signal ay tuluyang nawala, na nagsasabi na ang kalidad ng coverage layer ay napakahusay at naglatag ng magandang pundasyon para sa SAM self-assembly na sumusunod.
Kinumpirma rin ng SEM at EDS na ang 8 nm ITO ay nagbigay ng conformal coverage sa texture.
Photovoltaic Performance ng Tandem Cell
(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.
Ang lahat ng anim na ITO interconnect thickness ay dumaan sa J-V testing.
Sa ibaba ng 5 nm, ang Voc at FF ay bumagsak nang husto. Ang Voc ay hindi maipush past 1.7 V at ang PCE ay umabot lamang sa 21.68%, pangunahin dahil ang film ay hindi na tuloy-tuloy sa pyramid texture.
8 nm ang pinakamahusay na sagot. Ang cross-sectional SEM ay nagpakita ng mas malalaki at mas siksik na perovskite grains sa ultrathin ITO (wala pang 10 nm), at kinumpirma ng XRD ang mas mahusay na crystalline quality, kahit na ang 5 nm sample ay naglabas ng PbI₂ peak, isang senyales na nagsimula nang mag-degrade. Ang steady-state PL intensity ay umakyat mula 30 nm pababa sa 8 nm, pagkatapos ay bumaba muli, kaya ang 8 nm ay nasa tuktok mismo, tumutugma sa pinakamababang defect density.
Ang normalized PL characteristic peak ay hindi nagbago, ibig sabihin ang likas na katangian ng interface non-radiative recombination ay nanatiling pareho. Ang TRPL carrier lifetimes ay gayundin ang pinakamahaba sa 8 nm. Ang mga resultang ito ay nagmumula sa mas malakas na net dipole at mas pare-parehong 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 naikulong at hindi kailanman hinila pababa ang buong device.
Pagpapabuti ng Current Density
(a) EQE curves ng perovskite at silicon sub-cells sa ilalim ng 8 nm ITO interconnect layer; (b) EQE curves ng initial at optimized tandem cells.
Ang front IZO layer ay ni-rate ng figure of merit Aw × Rsheet⁻¹, at ang 45 nm ang pinakamahusay. Ang pagpapapayat ng interconnect ITO mula 20 nm hanggang 10 nm hanggang 8 nm ay nagtulak sa 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, naaayon sa J-V data. Laban 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 pinakamalaking nakuha.
Application ng Produkto
Pagganap at Katatagan ng Device
(a) Schematic structure at photograph 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 binuo sa 30 nm hanggang 2 nm ITO interconnect layers; (f) MPPT test results ng encapsulated tandem cell sa ilalim ng 1-sun illumination.
Kapag na-tune na ang ITO interconnect thickness, 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 sira. Ang 8 nm Rs 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 matatag? Mataas ang Poly-SAM coverage, at ang perovskite crystallization ay bumubuti kasabay nito.
Ang mga rehiyon na sakop ng SAM ay may mababang surface energy, at ang phosphonic acid groups ay nagko-coordinate sa Pb²⁺ at FA⁺, na gumagabay sa perovskite na dahan-dahang lumaki at sa maayos na paraan, kaya lumalaki ang mga butil. Sa mga bare ITO regions ay walang ganoong template effect, mabilis at magulo ang nucleation, at nagiging maliit ang mga butil na may maraming grain boundaries. Bukod pa rito, ang Poly-SAM ay nagpa-passivate ng unsaturated bonds at halide vacancies sa interface, nasusugpo ang halide migration, at bumagal ang degradation. Ang pare-parehong surface potential na dala mismo ng ultrathin ITO ay nakakatulong din, at sa pagsasama-sama ng ilang salik ay tumataas ang device lifetime.
Ang MPPT stability testing dito ay umaasa sa isang LED solar simulator na may 3A+ grade bilang aging light source, na kayang kontrolin ang cell temperature at ang nakapaligid na atmosphere sa ilang paraan upang magsagawa ng long-term stability testing.
Konklusyon at Pananaw
Ang 8 nm ay ang pinakamainam na ITO interconnect thickness para sa perovskite/silicon tandem cells. Ang kapal na ito ay parehong nagtataas ng perovskite crystalline quality at pumipigil sa parasitic absorption. Pagkatapos ng NiOx modification at Poly-SAM functionalization, ang surface potential ay nagiging mas pare-pareho at ang work function shift ay mas malinaw. Ang 8 nm ITO surface ay may mas maraming hydroxyls, pantay na kumakalat ang NiOx, siksik ang SAM, at ang conformal coverage sa texture ay na-verify ng SEM at EDS. Laban sa conventional 20 nm ITO, ang optimized device ay umabot sa champion efficiency na 31.80%, na may Jsc na tumaas ng 0.85 mA cm⁻² at 96% ng initial efficiency na 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 tiyakin ang current matching. Ang FF at Voc ay nananatiling bottlenecks na naglilimita sa kabuuang efficiency, kaya ang contact passivation strategies ay kailangang mas malalim pa. Ang mga alternatibong interconnect architectures tulad ng silicon-based tunnel junctions ay sulit ding subukan. Pagdating sa scaling up sa produksyon, ang TCO thickness at metallization grid design ay kailangang i-tune nang sabay, upang sa malalaking lugar ang shading ay hindi masyadong mabigat at ang lateral conduction ay hindi magdurusa. At sa mas manipis na layer, bumababa ang paggamit ng indium, kaya nakikinabang din ang sustainability.
Pananaw ng Ooitech
Ang kapansin-pansin dito ay ang ilang nanometer ng ITO ay kayang magbago ng parehong optics at crystallization sa 600 nm pyramid texture, at ang parehong conformal-coverage problem ay eksaktong lumalabas kapag ang tandem lines ay lumipat mula 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, kung saan ang uniform at well-tuned module-line equipment ay nagbibigay ng halaga. Kung gusto mong makita kung paano lumalabas ang mga prosesong ito sa tunay na factory scale, ang Ooitech YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay sulit i-follow.
Kaugnay: Perovskite sa kalawakan: ano ang halaga ng 100 thermal shock cycles tumitingin sa parehong pamilya ng absorber sa pamamagitan ng disenyo ng interconnect kaysa sa thermal shock.
Karagdagang pagbabasa at datos sa background
Pampublikong sangguniang materyal sa paksang ito, na inilathala ng mga organisasyong nagpapanatili ng technology roadmap at market data ng industriya:
