Efficienza del 33,25%, ritenzione MPPT del 96% dopo 1000 ore: il doppio strato all-ALD SnOx/AZO sopprime le reazioni interfacciali nei tandem perovskite/silicio
Introduzione al Prodotto
Le celle tandem perovskite/silicio hanno già raggiunto il 35% di efficienza. Il problema è la stabilità. Questi dispositivi sono ancora lontani dai 25 anni di vita commerciale necessari, e la causa principale risiede nelle interfacce. Lì si accumula carica, e questo accumulo innesca reazioni redox e migrazione ionica.
Il comunemente usato strato di trasporto elettronico ALD-SnOx incontra un compromesso di spessore a causa della sua alta resistività. Troppo spesso, e la resistenza serie aumenta. Troppo sottile, e non può bloccare i danni da sputtering o la diffusione ionica. Per studiare questo, un tester MPPT composito per perovskite che utilizza un simulatore solare a LED di grado AAA come sorgente luminosa per invecchiamento può controllare la temperatura della cella in diversi modi e gestire l'ambiente circostante, eseguendo test di stabilità a lungo termine.
Questo lavoro costruisce un doppio strato SnOx/AZO attraverso un processo completamente ALD. Un SnOx ultra-sottile mantiene l'allineamento di banda, mentre uno strato conduttivo AZO fornisce un percorso a bassa resistenza e agisce come una barriera densa. Questo separa l'estrazione di carica e il blocco fisico in due compiti distinti. Celle a perovskite a banda larga a giunzione singola con questa struttura hanno raggiunto il 23,47% di efficienza, e i dispositivi tandem hanno raggiunto il 33,25%. Dopo 1000 ore di illuminazione continua hanno mantenuto il 96% della loro efficienza iniziale, confermando la strategia interfacciale.
Parametri Tecnici
Specifiche del tester MPPT composito per perovskite
| Parametro | Specifica |
|---|---|
| Grado della sorgente luminosa | Simulatore solare LED A+AA+ (3A+) |
| Durata della sorgente luminosa | 10.000 h+ |
| Uscita spettrale (regolabile) | 350-400nm / 400-750nm / 750-1150nm, controllati indipendentemente |
| Camera ambientale | Temperatura e umidità costanti opzionali, conforme allo standard ISOS |
| Carico elettronico | Modelli multipli, funzionamento indipendente multi-canale |
| Applicazione | Test di stabilità di celle singole e tandem a perovskite |
Vantaggi Tecnici
Fabbricazione di doppio strato ALD e prestazioni elettriche
I test su cella singola hanno mostrato che SnOx ha le migliori prestazioni a 150 cicli. Aumentare lo spessore ha aumentato la resistenza serie e ridotto il fattore di riempimento. Per attenuare il limite di resistività, gli autori hanno aggiunto uno strato intermedio di AZO cresciuto con ALD. Sono stati confrontati due stack: 250 cicli di SnOx contro 100 cicli di SnOx più 400 cicli di AZO.
Le misure J-V hanno mostrato che la combinazione SnOx/AZO ha migliorato le prestazioni del dispositivo. L'analisi dei livelli energetici ha rilevato che il minimo della banda di conduzione scende da SnOx ad AZO a IZO, formando un allineamento di banda a scala più favorevole che abbassa la barriera di estrazione all'interfaccia. c-AFM ha mostrato che SnOx/AZO e AZO puro conducono molto meglio di SnOx puro. KPFM ha mostrato un potenziale superficiale più uniforme e una minore densità di difetti sul film di perovskite SnOx/AZO. La spettroscopia di assorbimento transiente ha confermato una più rapida estrazione dei portatori con SnOx/AZO.
Lo strato ALD sopprime la degradazione
Dopo 400 ore di invecchiamento a 85°C sotto illuminazione, i campioni con SnOx hanno mostrato un assorbimento più forte dello ioduro di piombo in UV-vis, picchi di diffrazione di Pb⁰ metallico in XRD, e vuoti all'interfaccia più perdita di massa in SEM di sezione trasversale. Nei campioni SnOx/AZO, questi segni di degradazione erano molto più deboli. TOF-SIMS ha mostrato una forte penetrazione di Ag nello strato di perovskite e una grave diffusione di I⁻ nei dispositivi SnOx, mentre i dispositivi SnOx/AZO non hanno mostrato diffusione ionica evidente.
Dopo 7 giorni a 85% RH, il film ricoperto di SnOx ha sviluppato una fase δ gialla, ma SnOx/AZO è rimasto nero. Le misure PLQY hanno mostrato una minore perdita di ricombinazione non radiativa e una maggiore ritenzione di PLQY dopo invecchiamento per SnOx/AZO. KPFM ha mostrato un grande aumento della densità di difetti superficiali per il campione SnOx invecchiato, mentre SnOx/AZO è cambiato a malapena.
Applicazione del Prodotto
Prestazioni e stabilità della cella singola
Nei dispositivi a cella singola con struttura ITO / NiOx / Me-4PACz / perovskite / C60 / strato ALD / Ag, il campione SnOx/AZO ha raggiunto un'efficienza del 23,47%, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², con isteresi chiaramente ridotta. La densità di corrente integrata EQE era 21,62 mA/cm², superiore a quella del dispositivo SnOx (20,92 mA/cm²). La potenza stabilizzata era del 23,12%. L'energia di Urbach era di 13,11 meV, inferiore a quella del dispositivo SnOx (16,38 meV).
In termini di stabilità, dopo 1100 ore di invecchiamento al buio a 85°C, lo SnOx/AZO ha mantenuto oltre il 90% dell'efficienza iniziale, mentre lo SnOx è sceso all'85% dopo 600 ore. Sotto illuminazione a 85°C, lo SnOx/AZO ha mantenuto oltre l'80% dopo 300 ore, mentre lo SnOx è sceso sotto il 60% dopo 200 ore. Nei test MPPT, lo SnOx/AZO ha mantenuto il 96% dopo 2000 ore, mentre lo SnOx è sceso all'80% dopo 700 ore.
Prestazioni e Stabilità delle Celle Tandem
Il doppio strato ALD è stato integrato in un dispositivo tandem perovskite/TOPCon silicio. HAADF-STEM ha mostrato un doppio strato continuo e denso con SnOx di circa 10 nm e AZO di circa 60 nm, senza pori o delaminazione. HR-TEM ha confermato che lo SnOx è amorfo, e EDS ha mostrato una distribuzione uniforme di Zn nell'AZO.
Il dispositivo tandem campione ha raggiunto un'efficienza del 33,25%, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, con quasi nessuna isteresi. EQE ha mostrato fotocorrenti della cella superiore e inferiore di 20,43 e 20,40 mA/cm², un buon accoppiamento. La potenza stabilizzata era del 32,38%.
Dopo 1000 ore di invecchiamento termico a 85°C, lo SnOx/AZO ha mantenuto oltre il 90% di efficienza, mentre lo SnOx è sceso sotto il 90% entro 400 ore. Nei test di calore umido (doppio 85), lo SnOx/AZO è rimasto sopra il 92% dopo 400 ore, mentre lo SnOx è sceso sotto l'80% entro 200 ore. Dopo 1000 ore di illuminazione continua, lo SnOx/AZO ha mantenuto oltre il 96%, mentre lo SnOx è sceso sotto l'80% entro 300 ore.
Riassunto del Meccanismo
Il vantaggio del doppio strato SnOx/AZO si riduce a due cose. Il cappuccio conduttivo di AZO accelera l'estrazione degli elettroni e riduce l'accumulo di carica all'interfaccia, sopprimendo il degrado dell'interfaccia guidato dalla reazione. Allo stesso tempo, il doppio strato denso agisce come una barriera efficace contro ioni e umidità, frenando la corrosione dell'argento indotta dallo ioduro e la migrazione di Ag⁺ nel perovskite. L'estrazione più rapida degli elettroni abbinata al blocco fisico degli ioni fornisce un meccanismo di "disaccoppiamento funzionale", quindi i due effetti rafforzano insieme la durabilità del dispositivo.
Questo studio utilizza un doppio strato SnOx/AZO completamente ALD per sopprimere il degrado guidato dalla reazione all'interfaccia nelle celle tandem perovskite/silicio. Il doppio strato abbina il buon allineamento di banda dello SnOx con l'alta conduttività e la funzione di barriera densa dell'AZO, riducendo l'accumulo di carica e frenando la diffusione ionica e l'ingresso di umidità. I dispositivi a giunzione singola hanno raggiunto un'efficienza del 23,47%, i dispositivi tandem del 33,25%, e entrambi hanno mantenuto oltre il 96% dell'efficienza iniziale dopo 1000 ore di MPPT. Mostra quanto sia centrale l'ingegneria dell'interfaccia per costruire celle fotovoltaiche tandem perovskite/silicio ad alta efficienza e stabili, e indica un percorso reale verso celle che siano sia efficienti che durevoli.
Il tester MPPT composito a perovskite, costruito attorno a un simulatore solare a LED A+AA+ come sorgente luminosa per l'invecchiamento, fornisce un forte supporto alla ricerca sulle celle solari a perovskite. Poiché le celle a perovskite sono così sensibili alla luce e alla temperatura, il loro punto di massima potenza si sposta continuamente. Il controller MPPT traccia e blocca quel punto in tempo reale, quindi il sistema produce sempre la sua massima potenza. Ciò massimizza la resa energetica e migliora la stabilità e l'economia dell'intero sistema fotovoltaico.
Riferimento: Soppressione delle reazioni interfacciali nelle celle solari tandem perovskite/silicio tramite un doppio strato all-ALD SnOx/AZO
Il punto di vista di Ooitech
Ciò che spicca qui è l'idea di "disaccoppiamento funzionale", che permette a un singolo strato sottile di gestire l'allineamento di banda e un altro di gestire il blocco, invece di forzare un singolo film di SnOx a fare entrambi i lavori e perdere su uno di essi. Sul lato produttivo, l'uniformità dello stack ALD su un modulo di dimensioni reali è esattamente ciò che conta per il controllo di linea e la metrologia, ed è il tipo di dettaglio di processo su cui ci concentriamo quando costruiamo linee di moduli. Se vuoi vedere di più su come la produzione di moduli a perovskite e tandem si realizza concretamente in fabbrica, il canale YouTube di Ooitech (www.youtube.com/ooitech) vale la pena di essere seguito.
