26,2% di Efficienza Certificata: Svolta nei Moduli Tandem Completamente Perovskite di Grande Area: La Giunzione di Ricombinazione Tunnel a Nanocristalli di In₂O₃

Introduzione

I moduli solari tandem completamente perovskite sono ampiamente considerati un forte candidato 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 parassita nel vicino infrarosso e l'instabilità termica interfacciale della struttura Au/PEDOT:PSS nelle giunzioni di ricombinazione tunnel (TRJ) convenzionali a base d'oro, insieme al degrado del trasporto di carica 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. Ottimizzando la morfologia dei nanocristalli e la chimica superficiale, il team ha ottenuto 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 della 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 strain 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, ottenendo 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) — un traguardo chiave sulla strada verso il scale-up delle fotovoltaiche 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 confrontata sistematicamente con la struttura convenzionale Tipo I Au/PEDOT:PSS e con una struttura Tipo II basata su nanocristalli di ITO commerciali.

Struttura e caratteristiche dell'interfaccia

I nanocristalli di In₂O₃ auto-sintetizzati hanno una dimensione delle particelle molto più piccola rispetto ai nanocristalli 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 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 di assorbimento parassita, mentre il film di nanocristalli In₂O₃ è altamente trasparente otticamente. Sotto invecchiamento termico accelerato a 85°C, l'efficienza del modulo Tipo I è scesa a meno della metà del valore iniziale entro 50 ore, mentre i Tipi II e III basati su nanocristalli hanno mantenuto circa il 75% dell'efficienza iniziale dopo 200 ore. Su un substrato di 10×10 cm², i film di nanocristalli rivestiti con lama hanno mostrato un assorbimento ottico molto più uniforme rispetto ai sottili film di Au evaporati termicamente, dimostrando pienamente il vantaggio intrinseco dei nanocristalli processati in soluzione nella produzione scalabile.

Ottimizzazione della Fabbricazione di Film di Perovskite di Grande Area

Risolte le perdite ottiche e l'instabilità della TRJ, la fabbricazione uniforme di film di perovskite Pb-Sn di grande area è diventata la successiva barriera tecnica. I sistemi di solventi convenzionali DMF/DMSO hanno alti punti di ebollizione e lenta volatilità, quindi la loro cinetica di nucleazione è in ritardo durante il rivestimento a lama ad alta velocità, rendendo difficile formare film uniformi su substrati grandi.

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 risolto con successo la sfida della cinetica di cristallizzazione per il rivestimento su larga area e ha ottenuto una validazione preliminare del 17,5% di efficienza su un'area di apertura di 65 cm².

Ingegneria dei leganti 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 leganti di superficie per sintonizzare i livelli energetici

Attraverso lo scambio di leganti, MMES e MMPA sono stati utilizzati per modificare la superficie delle NC di In₂O₃. La spettroscopia fotoelettronica a raggi ultravioletti (UPS) ha mostrato che le NC di In₂O₃ modificate con MMPA raggiungono un favorevole band bending interfacciale 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 di trasporto. I test di corrente limitata da carica spaziale (SCLC) hanno escluso qualsiasi interferenza dei leganti 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 della 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, il lavoro di uscita della perovskite è passato 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, allineandosi meglio con i livelli energetici delle NC di In₂O₃. La cella Pb-Sn a giunzione singola senza HTL risultante ha raggiunto un'efficienza del 23%, mentre un dispositivo rivestito a 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 di 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 HSM ha soppresso efficacemente la formazione della fase impura di PbI₂. La spettroscopia ¹H NMR in fase liquida ha inoltre rivelato che HSM, attraverso una deprotonazione preferenziale, consuma i gruppi fosfonici acidi liberi, impedendo 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 (PL) allo stato stazionario è aumentata bruscamente, la vita media della PL 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 su larga area

Basandosi su queste strategie sinergiche, il team ha fabbricato un modulo tandem interamente perovskite con un'area di apertura di 65 cm² (14 subcelle 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 dell'area attiva fino al 27,6%. La mappatura spaziale EQE ha mostrato che, su 16 diverse posizioni, le densità di corrente integrate delle subcelle superiore e inferiore erano in media rispettivamente di 16,3 e 16,2 mA cm⁻², corrispondendo strettamente ai risultati J-V e superando entrambe il precedente collo di bottiglia del modulo sub-15 mA cm⁻² riportato.

In termini di affidabilità, seguendo lo standard IEC 61215:2021, il modulo incapsulato di Tipo III ha raggiunto una vita T90 (mantenendo il 90% dell'efficienza iniziale) di 771 ore sotto inseguimento 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% RH (ISOS-D-3), il modulo di Tipo III ha raggiunto una vita media T84 di 1000 ore, mentre il modulo di Tipo I era già sceso al di sotto del 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 la straordinaria 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 ingegneria HSM di bulk/interfaccia, questo lavoro ha ottenuto con successo un modulo tandem solare interamente perovskite con efficienza certificata del 26,2% 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 slot-die coating 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 composito per perovskite che utilizza un simulatore solare LED di grado A+AA+ come sorgente di invecchiamento fornisce un forte supporto per la ricerca sulle celle solari a perovskite attraverso tecnologia avanzata e design multifunzionale. Tali strumenti sono utilizzati principalmente per test di stabilità di celle singole e tandem a perovskite finite. Poiché le caratteristiche di uscita delle celle a 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, assicurando che il sistema operi sempre alla potenza di uscita ottimale.

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

Il punto di vista di Ooitech

Ooitech ritiene: giunzioni di ricombinazione a nanocristalli di In₂O₃ ingegnerizzati in superficie abbinate all'ingegneria HSM di bulk/interfaccia hanno spinto i moduli tandem interamente perovskite su larga area a un'efficienza certificata del 26,2%, portando questa tecnologia un passo decisivo più vicino alla commercializzazione.