Svolta nell'efficienza certificata del 26,2%

Risposta rapida: Un modulo solare tandem tutto-perovskite ha raggiunto un'efficienza certificata del 26,2%, un risultato importante perché la tecnologia tutto-perovskite evita completamente la cella inferiore in silicio. Il modulo ha dimostrato una tensione a circuito aperto di circa 2,182 V, che è quasi il doppio di una cella solare in silicio a singola giunzione ed è la firma di due giunzioni in serie. I test di certificazione hanno incluso l'esposizione a caldo umido a 85 °C e i requisiti meccanici IEC 61215, con una geometria di prova della classe da 5 mm a 30 mm. Il tandem perovskite ha storicamente fallito sulla stabilità piuttosto che sull'efficienza, ed è questo che rende un risultato certificato diverso da un record di laboratorio. Il divario rimanente verso la produzione è l'area: la maggior parte dei record riguarda moduli di piccole dimensioni, e scalare un rivestimento perovskite a un modulo a grandezza naturale senza pin-hole e perdita di uniformità è un problema ingegneristico separato.

Produzione di moduli fotovoltaici · di Jerry, Ooitech

Introduzione

I moduli solari tandem interamente perovskite sono ampiamente considerati un forte contendente per la tecnologia fotovoltaica di prossima generazione grazie alla loro alta efficienza e al potenziale di basso costo. Tuttavia, la commercializzazione su larga area è stata seriamente ostacolata. Mentre i dispositivi di piccola area hanno già superato il 30% di efficienza, i moduli di grande area (≥20 cm²) sono rimasti a lungo intorno al 24,5%. I principali colpevoli sono il forte assorbimento parassitario nel vicino infrarosso e l'instabilità termica interfacciale della struttura Au/PEDOT:PSS nelle giunzioni di ricombinazione a tunnel (TRJ) convenzionali a base d'oro, insieme al trasporto di carica degradato nei film di perovskite Pb-Sn di grande area causato dalla cristallizzazione non uniforme durante il rivestimento a lama.

Questo studio sviluppa una TRJ processata in soluzione basata su nanocristalli di In₂O₃ ingegnerizzati in superficie. Regolando la morfologia dei nanocristalli e la chimica superficiale, il team ha ottenuto un'elevata trasparenza ottica, interfacce lisce e un allineamento ideale dei livelli energetici. Allo stesso tempo, additivi di tipo acido fosfonico sono stati introdotti nel precursore di perovskite Pb-Sn per migliorare il contatto elettronico con lo strato di ricombinazione In₂O₃, potenziare l'estrazione delle lacune e regolare la cinetica di cristallizzazione per alleviare lo stress residuo nei film di grande area. Questa strategia combinata aumenta simultaneamente l'efficienza di ricombinazione dei portatori alla giunzione, l'estrazione di carica e l'uniformità dei film di grande area, fornendo infine un'efficienza certificata JET del 26,2% su un'area di apertura di 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — una pietra miliare chiave sulla strada per scalare il fotovoltaico tandem interamente perovskite.

Progettazione e vantaggi della nuova TRJ

Il lavoro propone un'alternativa processata in soluzione: una nuova TRJ (Tipo III) costruita da nanocristalli di ossido di indio ingegnerizzati in superficie (In₂O₃ NC). Viene sistematicamente confrontata con la struttura convenzionale Tipo I Au/PEDOT:PSS e con una struttura Tipo II basata su nanocristalli di ITO commerciali.

Caratteristiche strutturali e di interfaccia

I NC di In₂O₃ auto-sintetizzati hanno una dimensione delle particelle molto più piccola rispetto ai NC di ITO commerciali, formando un'interfaccia sepolta più liscia e riducendo efficacemente la densità dei difetti di contatto. I test elettrici mostrano che la struttura di Tipo III presenta un comportamento di contatto ohmico ideale senza barriera al trasporto di carica.

Stabilità ottica e termica

La caratterizzazione ottica mostra che il PEDOT:PSS nel Tipo I causa una grave perdita per assorbimento parassita, mentre il film di NC di In₂O₃ è altamente trasparente otticamente. Sotto invecchiamento termico accelerato a 85°C, l'efficienza del modulo di Tipo I è scesa a meno della metà del suo valore iniziale entro 50 ore, mentre i Tipi II e III basati su NC hanno mantenuto circa il 75% dell'efficienza iniziale dopo 200 ore. Su un substrato di 10×10 cm², i film di NC rivestiti a lama hanno mostrato un assorbimento ottico molto più uniforme rispetto ai film di Au evaporati termicamente sottili, dimostrando pienamente il vantaggio intrinseco dei nanocristalli processati in soluzione nella produzione scalabile.

Ottimizzazione della produzione di film di perovskite su larga area

Con la risoluzione della perdita ottica e dell'instabilità del TRJ, la produzione uniforme di film di perovskite Pb-Sn su larga area è diventata la successiva barriera tecnica. I sistemi di solventi convenzionali DMF/DMSO hanno punti di ebollizione elevati e volatilità lenta, quindi la loro cinetica di nucleazione è in ritardo durante il rivestimento a lama ad alta velocità, rendendo difficile formare film uniformi su substrati di grandi dimensioni.

Per risolvere questo problema, il team ha sviluppato un sistema di solventi binari basato su 2-metossietanolo (2-Me) e tetraidrofurano (THF). Con il suo basso punto di ebollizione e l'alta pressione di vapore, questo sistema raggiunge rapidamente la supersaturazione critica e accelera notevolmente la nucleazione. Utilizzandolo, la velocità di rivestimento a lama della perovskite Pb-Sn è stata aumentata da 5 mm/s nel sistema DMF tradizionale fino a 30 mm/s, fornendo un'intensità di fotoluminescenza (PL) altamente uniforme e un'eccellente consistenza del dispositivo su substrati di 10×10 cm² e più grandi. Questo ha superato con successo la sfida della cinetica di cristallizzazione per il rivestimento su larga area e ha ottenuto una validazione preliminare di efficienza del 17,5% su un'area di apertura di 65 cm².

Ingegneria dei ligandi di superficie e allineamento dei livelli energetici

Dopo la rimozione del PEDOT:PSS, le perdite ottiche sono diminuite, ma la tensione a circuito aperto (VOC) e il fattore di riempimento (FF) sono diminuiti, attribuiti all'aumento delle barriere di trasporto interfacciale e alla ricombinazione non radiativa tra la perovskite e lo strato di NC. Per affrontare questo problema, lo studio ha implementato una strategia di ottimizzazione sinergica duale:

Ingegneria dei ligandi di superficie per sintonizzare i livelli energetici

Attraverso lo scambio di ligandi, MMES e MMPA sono stati utilizzati per modificare la superficie dei NC di In₂O₃. La spettroscopia fotoelettronica a ultravioletti (UPS) ha mostrato che i NC di In₂O₃ modificati con MMPA raggiungono un favorevole bending della banda all'interfaccia con il film di perovskite target (bending verso l'alto di circa 50 meV), promuovendo significativamente l'estrazione delle lacune, mentre la modifica con OAm o MMES ha causato un bending verso il basso e una barriera al trasporto. I test di corrente limitata da carica spaziale (SCLC) hanno escluso qualsiasi interferenza dei ligandi sulla mobilità stessa, confermando che il guadagno di prestazioni deriva principalmente dall'ottimizzazione dell'allineamento dei livelli energetici.

Drogaggio in massa con materiale selettivo per lacune a base di acido fosfonico (HSM)

Il team ha drogato HSM a base di acido fosfonico come MeO-2PACz direttamente nel precursore di perovskite Pb-Sn (ottimizzato allo 0,2 mol%) invece di limitarli alla modifica dell'interfaccia. Questa strategia di drogaggio in massa evita il problema della copertura non uniforme del SAM su grandi aree. L'UPS ha mostrato che dopo il drogaggio con HSM la funzione lavoro della perovskite è passata da 5,04 eV a 4,81 eV, il massimo della banda di valenza si è spostato verso l'alto e il carattere di tipo n si è indebolito, corrispondendo meglio ai livelli energetici dei NC di In₂O₃. La cella a giunzione singola Pb-Sn senza HTL risultante ha raggiunto un'efficienza del 23%, mentre un dispositivo rivestito con lama che utilizza NC di In₂O₃-MMPA come strato di trasporto delle lacune (HTL) ha raggiunto un'efficienza del 24,0% in scansione inversa con una JSC fino a 33,8 mA cm⁻².

Ruoli multipli dell'HSM sul film di perovskite

Il ruolo dell'HSM va ben oltre il trasporto di carica — influenza profondamente la cristallizzazione del film e la passivazione dei difetti:

Controllo della cristallizzazione e soppressione dei difetti

La microscopia elettronica a scansione (SEM) ha mostrato che dopo il drogaggio con HSM le impurità dendritiche che originariamente attraversavano i bordi di grano nel film Pb-Sn sono scomparse, la dimensione dei grani è cresciuta notevolmente e i bordi di grano hanno assunto un aspetto "fuso". GIWAXS e XRD hanno confermato che l'HSM sopprime efficacemente la formazione della fase di impurità PbI₂. La risonanza magnetica nucleare ¹H in fase liquida ha inoltre rivelato che l'HSM, attraverso una deprotonazione preferenziale, consuma i gruppi fosfonici acidi liberi, prevenendo così la loro deprotonazione acida dei cationi FA⁺ e stabilizzando la chimica del precursore.

Miglioramento della dinamica dei portatori

La spettroscopia di assorbimento transitorio (TAS) ha mostrato che la ricombinazione non radiativa assistita da difetti è stata notevolmente soppressa dopo il drogaggio con HSM. L'intensità della fotoluminescenza in stato stazionario è aumentata bruscamente, la durata media della fotoluminescenza è passata da 1042 ns a 1889 ns, con una passivazione particolarmente forte all'interfaccia inferiore, riducendo efficacemente l'intrappolamento di carica all'interfaccia sepolta. La spettroscopia OPTP ha mostrato che la mobilità dei portatori del film target è aumentata da 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ a 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ e la lunghezza di diffusione è cresciuta da 2,65 μm a 4,78 μm, confermando un miglioramento complessivo della qualità del film bulk.

Prestazioni e stabilità del modulo di grande area

Basandosi su queste strategie sinergiche, il team ha fabbricato un modulo tandem interamente perovskite con un'area di apertura di 65 cm² (14 sub-celle in serie). Il modulo campione che utilizza il TRJ di Tipo III (In₂O₃-MMPA) ha raggiunto un'efficienza del 26,6% in test di laboratorio (scansione inversa), con VOC di 30,4 V, JSC di 1,12 mA cm⁻² e FF del 78,2%. La sua efficienza stabilizzata certificata JET ha raggiunto il 26,2%, superando chiaramente il modulo di controllo che utilizzava il TRJ convenzionale di Tipo I (24,8%). Dopo l'ottimizzazione della zona morta, il fattore di riempimento geometrico ha raggiunto il 96,5%, dando un'efficienza equivalente sull'area attiva fino al 27,6%. La mappatura spaziale EQE ha mostrato che, su 16 diverse posizioni, le densità di corrente integrate delle sub-celle superiore e inferiore hanno mediato rispettivamente 16,3 e 16,2 mA cm⁻², corrispondendo strettamente ai risultati J-V e superando entrambe il collo di bottiglia del modulo precedentemente riportato di sotto i 15 mA cm⁻².

In termini di affidabilità, seguendo lo standard IEC 61215:2021, il modulo incapsulato di Tipo III ha raggiunto una durata T90 (mantenendo il 90% dell'efficienza iniziale) di 771 ore sotto monitoraggio continuo del punto di massima potenza (MPP) a 1 sole, e ha ancora mantenuto l'82,5% di efficienza dopo 1000 ore. Nel impegnativo test di calore umido a 85°C/85% UR (ISOS-D-3), il modulo di Tipo III ha raggiunto una durata media T84 di 1000 ore, mentre il modulo di Tipo I era già sceso sotto il 40% di efficienza; nel test di ciclaggio termico da -40°C a 85°C (ISOS-T-3), il modulo di Tipo III ha mantenuto il 93% dell'efficienza iniziale dopo 200 cicli. Tutti gli esperimenti di invecchiamento accelerato hanno confermato che l'eccezionale stabilità del Tipo III deriva dall'eliminazione completa dei fattori di instabilità innescati dal PEDOT:PSS.

Attraverso giunzioni di ricombinazione a nanocristalli di In₂O₃ ingegnerizzati in superficie e una sinergica ingegnerizzazione del bulk/interfaccia HSM, questo lavoro ha raggiunto con successo un'efficienza certificata del 26,2% per un modulo tandem interamente perovskite su un'area di apertura di 65 cm², fornendo progressi completi in termini di dimensioni del modulo, efficienza e stabilità operativa. Il lavoro dimostra fortemente il potenziale di commercializzazione della tecnologia fotovoltaica tandem interamente perovskite. Guardando al futuro, spingere l'area del modulo oltre 800 cm² richiederà un'ottimizzazione sinergica dei processi di deposizione come il rivestimento a fessura (slot-die) insieme a metodi come la cristallizzazione assistita da vuoto, per garantire una fabbricazione uniforme e di alta qualità di sub-celle a banda larga e stretta su larga area.

Apparecchiature di Riferimento e Test

Un tester MPPT per perovskite composito che utilizza un LED di grado A+AA+ simulatore solare come sorgente di invecchiamento fornisce un forte supporto alla ricerca sulle celle solari in perovskite attraverso tecnologia avanzata e design multifunzionale. Tali strumenti sono principalmente utilizzati per i test di stabilità delle celle in perovskite a giunzione singola e tandem finite. Poiché le caratteristiche di uscita delle celle in perovskite sono facilmente influenzate da fattori ambientali come luce e temperatura, il punto di massima potenza fluttua frequentemente. Un controller MPPT traccia e blocca il punto di massima potenza in tempo reale, garantendo che il sistema operi sempre alla potenza di uscita ottimale.

Riferimento: Ricombinazione su misura con nanocristalli per moduli tandem interamente perovskite

Il Punto di Vista di Ooitech

Ooitech ritiene: le giunzioni di ricombinazione a nanocristalli di In₂O₃ ingegnerizzati in superficie, abbinate all'ingegnerizzazione del bulk/interfaccia HSM, hanno portato i moduli tandem interamente perovskite su larga area a un'efficienza certificata del 26,2%, avvicinando questa tecnologia in modo decisivo alla commercializzazione.