Introduksyon ng Produkto

Ang monolithic perovskite/silicon tandem solar cells ay isa sa pinakamalinaw na ruta lampas sa efficiency ceiling ng single-junction devices. Ang top cell at bottom cell ay konektado sa serye sa pamamagitan ng recombination interconnect layer, at kung gaano kahusay ang interface na iyon ang nagpapasya kung ang mga carrier ay maaaring maihatid at muling pagsamahin 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, binababa nito ang performance ng device.

Ang gawaing ito ay sumukat ng indium tin oxide (ITO) interconnect layers mula 2 hanggang 30 nm ang kapal at natagpuan na ang isang ultrathin na 8 nm layer ay pinakamahusay na gumagana sa dalawang aspeto nang sabay: pagbawas ng optical loss at pagpapabuti ng surface potential uniformity. Kapag ang NiOx modification at Poly-SAM functionalization ay isinalansan sa itaas, 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 initial 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) plus 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 idineposito: 2, 5, 8, 10, 20 at 30 nm, annealed sa 180°C at laser scribed.

Ang perovskite top cell ay sumunod sa rutang ito. Ang bottom cell ay unang inanneal at ginamot ng UV-ozone, pagkatapos ay idineposito 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 inanneal 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 pinatak bilang antisolvent sa high-speed stage at inihurno sa 100°C sa loob ng 20 minuto. Ang ibabaw ay binago gamit ang PDADI, pagkatapos ay ang C₆₀ ay thermally evaporated, SnO₂ na lumaki sa pamamagitan ng ALD, 45 nm IZO na sputtered, Ag electrodes na evaporated, at sa wakas ay isang MgF₂ anti-reflection film na nagtakip sa stack.

Mga Teknikal na Bentahe

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.

Ang Hall effect measurements ay nagpakita na ang sheet resistance ay bumababa habang tumataas ang kapal ng film, na inaasahan. Ang carrier concentration ay nanatiling medyo steady sa pagitan ng 8 at 30 nm, sa paligid ng 2.8 hanggang 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, ngunit kapag bumaba sa ibaba ng 8 nm ay nagsisimula itong bumaba. Ang mobility ay bahagyang bumaba lamang sa makitid na 2 hanggang 8 nm window, isang senyales na ang integridad ng film ay buo pa rin. Ang 8 nm ay nasa sweet spot kung saan ang sheet resistance ay sapat na mababa at ang electrical performance ay hindi 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) Corresponding EDS elemental maps ng focused region ng 8 nm ITO sample, na may color-element legend sa kanang itaas.

Sa optika, ang pagpapayat 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 pumapayat ang kapal, at pagkatapos ng modipikasyon ng NiOx at annealing, ang peak ng pagbabago ng work function ay nasa 8 nm.

• Ipinakita ng KPFM area scans na ang sub-10 nm ITO ay pinigilan ang lahat ng lokal na shunt point, kung saan ang 8 nm ang nagbigay ng pinakamahusay na pagkakapareho.

• Nagpakita ang XPS ng isang kawili-wiling detalye: ang ibabaw ng 8 nm ITO ay may mas mataas na density ng hydroxyl kaysa sa 20 nm, at ang mga hydroxyl na ito ay bumuo ng In─O─Ni bridge bonds sa NiOx, na nagpapahintulot sa NiOx na kumalat nang mas pantay at dumikit nang mas matatag. Pagkatapos ng modipikasyon, ganap na nawala ang In signal, na nagsasabing ang kalidad ng coverage layer ay mahusay at naglatag ng magandang pundasyon para sa susunod na SAM self-assembly.

• Kinumpirma rin ng SEM at EDS na ang 8 nm ITO ay nagbigay ng conformal coverage sa texture.

Pagganap ng Photovoltaic 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.

Lahat ng anim na kapal ng ITO interconnect ay sumailalim sa J-V testing.

• Sa ibaba ng 5 nm, bumagsak nang husto ang Voc at FF. Hindi mailampas ang Voc sa 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 mas malaki at mas siksik ang perovskite grains sa ultrathin ITO (sa ilalim ng 10 nm), at kinumpirma ng XRD ang mas mahusay na crystalline quality, bagaman ang 5 nm sample ay nagpakita ng PbI₂ peak, isang senyales na nagsimula na ang degradation. Ang steady-state PL intensity ay patuloy na tumaas mula 30 nm pababa sa 8 nm, pagkatapos ay bumagsak muli, kaya ang 8 nm ay nasa mismong peak, na tumutugma sa pinakamababang defect density.

• Ang normalized PL characteristic peak ay hindi nagbago, ibig sabihin ang kalikasan ng interface non-radiative recombination ay nanatiling pareho. Ang TRPL carrier lifetimes ay pinakamahaba rin sa 8 nm. Ang mga resultang ito ay nagmula sa mas malakas na net dipole at mas pare-parehong work function na dala ng Poly-SAM, na sabay na nagpapataas ng Voc at FF. Ipinakita rin ng PL imaging ang 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 local shunting ay epektibong na-box in at hindi kinaladkad ang buong device pababa.

Pagpapabuti ng Kasalukuyang Densidad

(a) Mga kurba ng EQE ng perovskite at silicon sub-cells sa ilalim ng 8 nm ITO interconnect layer; (b) Mga kurba ng EQE ng inisyal at optimized tandem cells.

Ang front IZO layer ay na-rate gamit ang figure of merit na Aw × Rsheet⁻¹, at ang 45 nm ang pinakamahusay. Ang pagpapaliit 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 naaayon sa J-V data. Kumpara 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 pinakakinabangan.

Aplikasyon ng Produkto

Pagganap at Katatagan ng Device

(a) Schematic structure at litrato 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) kinatawan na J-V curve ng high-performance cell; (e) pagkakaiba-iba ng Rs sa perovskite/silicon tandem cells na binuo sa 30 nm hanggang 2 nm ITO interconnect layers; (f) mga resulta ng MPPT test ng encapsulated tandem cell sa ilalim ng 1-sun illumination.

Kapag naayos 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 kasing taas ng 41.26 Ω, kaya ang series connection ay halos nasira. 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 inisyal na PCE nito pagkatapos ng 500 oras ng MPPT, habang ang 20 nm ay nagpanatili lamang ng 90%, na inilalagay ito sa mga pinaka-stable sa pamilya ng TCO/SAM interconnect. Bakit ganito katatag? Mataas ang coverage ng Poly-SAM, at kasabay nito ay bumubuti ang crystallization ng perovskite.

Ang mga rehiyong sakop ng SAM ay may mababang surface energy, at ang mga phosphonic acid group ay nakikipag-ugnayan sa Pb²⁺ at FA⁺, na ginagabayan ang perovskite na lumago nang dahan-dahan at maayos, kaya lumalaki ang mga butil. Sa mga bare ITO na rehiyon, walang ganitong template effect, mabilis at magulo ang nucleation, at ang mga butil ay nagiging maliit na may maraming grain boundaries. Bukod pa rito, pinapassivate ng Poly-SAM ang mga unsaturated bond at halide vacancies sa interface, napipigilan ang halide migration, at bumagal ang degradation. Ang uniform surface potential na dulot ng ultrathin ITO mismo ay nakakatulong din, at sa pagsasama-sama ng ilang salik, tumataas ang buhay ng device.

Ang MPPT stability testing dito ay gumagamit ng LED solar simulator na 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 optimal na ITO interconnect thickness para sa perovskite/silicon tandem cells. Ang kapal na ito ay nagpapataas ng crystalline quality ng perovskite at nagpapababa ng parasitic absorption. Pagkatapos ng NiOx modification at Poly-SAM functionalization, ang surface potential ay nagiging mas uniform at ang work function shift ay mas malinaw. Ang 8 nm ITO surface ay may mas maraming hydroxyls, pantay ang pagkalat ng NiOx, siksik ang pagkakapack ng SAM, at ang conformal coverage sa texture ay na-verify ng SEM at EDS. Kumpara sa conventional na 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 pinuhin pa upang palakasin ang light trap sa silicon bottom cell, itaas ang current nito, at makamit ang current matching. Ang FF at Voc ay nananatiling bottlenecks na naglilimita sa overall efficiency, kaya kailangan pang palalimin ang contact passivation strategies. Ang mga alternatibong interconnect architectures tulad ng silicon-based tunnel junctions ay sulit ding subukan. Pagdating sa pag-scale 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 maapektuhan 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 maaaring makaapekto sa parehong optika at kristalisasyon sa 600 nm pyramid texture na iyon, at ang parehong problema sa conformal-coverage ay eksaktong lumilitaw kapag ang mga tandem lines ay lumipat mula sa lab coupons patungo sa full-size modules. Sa production floor, ang tabber-stringer, layup at lamination steps ay dapat igalang ang mga marupok na interconnect at SAM interfaces na ito, kung saan ang uniporme at maayos na module-line equipment ay nagpapakita ng halaga nito. Kung gusto mong makita kung paano ang mga prosesong ito sa tunay na factory scale, ang Ooitech YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay sulit na sundan.