Celle tandem perovskite/silicio: interconnessione ITO da 8nm
Indice
Risposta rapida: Le celle tandem monolitiche perovskite/silicio impilano una giunzione superiore in perovskite direttamente su una giunzione inferiore in silicio, con un sottile strato di interconnessione trasparente tra di esse. Tale interconnessione è il punto cruciale ingegneristico: deve far passare la corrente da una giunzione all'altra, rimanere otticamente trasparente alle lunghezze d'onda necessarie alla cella inferiore e sopravvivere alla lavorazione degli strati sovrastanti. In questo lavoro l'interconnessione è uno strato di ossido di indio e stagno spesso circa 8 nm, inserito in una pila che comprende strati a 15 nm, 30 nm, 110 nm e una regione di 600 nm, con una caratteristica di 10 µm altrove nel dispositivo. Le misurazioni utilizzate coprono le lunghezze d'onda visibili dall'estremità blu fino al vicino infrarosso. Poiché lo strato è spesso solo pochi nanometri, la sua continuità e il suo drogaggio contano quanto il suo spessore.
Produzione di moduli fotovoltaici · di Jerry, Ooitech
Introduzione al prodotto
Le celle solari tandem monolitiche perovskite/silicio sono una delle vie più chiare per superare il tetto di efficienza dei dispositivi a giunzione singola. La cella superiore e quella inferiore sono collegate in serie attraverso uno strato di interconnessione a ricombinazione, e la qualità di tale interfaccia determina se i portatori possono essere trasportati e ricombinati senza problemi. Il problema risiede sulla superficie testurizzata a micro-piramidi della cella inferiore a eterogiunzione di silicio (SHJ). Le piramidi sono alte circa 600 nm, e su quel terreno lo strato di ricombinazione subisce perdite ottiche parassite mentre il monostrato auto-assemblato (SAM) non si distribuisce mai in modo uniforme. Col tempo ciò compromette le prestazioni del dispositivo.
Questo lavoro ha misurato strati di interconnessione in ossido di indio-stagno (ITO) con spessori da 2 a 30 nm e ha scoperto che uno strato ultrasottile di 8 nm funziona meglio su due fronti contemporaneamente: riducendo la perdita ottica e migliorando l'uniformità del potenziale superficiale. Una volta aggiunte la modifica NiOx e la funzionalizzazione Poly-SAM, la densità di corrente di cortocircuito è aumentata di 0,85 mA cm⁻² raggiungendo 20,82 mA cm⁻², l'efficienza di conversione di potenza ha toccato il 31,80%, e dopo 500 ore di inseguimento del punto di massima potenza il dispositivo manteneva ancora il 96% della sua efficienza iniziale.
Metodo Sperimentale
La cella inferiore SHJ utilizzava wafer di silicio di tipo n, spessi 110 ± 10 µm, testurizzati su entrambi i lati con KOH in piramidi alte circa 600 nm. Dopo la pulizia RCA, la PECVD ha depositato in sequenza gli strati di passivazione e drogati: sul lato anteriore sono stati depositati 8 nm di a-Si:H(i) intrinseco più 15 nm di nc-SiOx:H(n) di tipo n, sul lato posteriore 8 nm di a-Si:H(p) di tipo p, quindi 110 nm di ITO sono stati spruzzati e 700 nm di Ag evaporati sul retro. Sul fronte, sei spessori di interconnessione ITO sono stati depositati separatamente: 2, 5, 8, 10, 20 e 30 nm, ricotti a 180°C e incisi al laser.
La cella superiore in perovskite ha seguito questo percorso. La cella inferiore è stata prima ricotta e trattata con UV-ozono, poi NiOx è stato depositato tramite sputtering magnetronico, seguito da un'altra ricottura e da un passaggio con UV-ozono. All'interno di una glovebox ad azoto, Poly-SAM è stato depositato tramite spin-coating (0,5 mg mL⁻¹, solvente metanolo e clorobenzene in rapporto 1:1) e ricotto a 100°C. La perovskite era Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ con un bandgap di 1,68 eV, depositata tramite spin-coating in due fasi, con clorobenzene gocciolato come antisolvente durante la fase ad alta velocità e cotta a 100°C per 20 minuti. La superficie è stata modificata con PDADI, poi C₆₀ è stato evaporato termicamente, SnO₂ cresciuto tramite ALD, IZO sputterato a 45 nm, elettrodi di Ag evaporati e infine una pellicola antiriflesso di MgF₂ ha chiuso la pila.
Vantaggi Tecnici
Proprietà optoelettroniche dello strato di interconnessione ITO
(a) Rsh, Ne e µ in funzione dello spessore (n = 10); (b) assorbanza ottica e riflettanza dello strato ITO; (c) funzione lavoro in funzione dello spessore; (d) spostamento della funzione lavoro (ΔWF) prima e dopo il trattamento NiOx a diversi spessori; (e) schema della distribuzione di SAM su ITO modificato con NiOx; (f) mappe del potenziale superficiale KPFM di ITO di interconnessione da 2–30 nm; (g) mappe del potenziale superficiale KPFM di ITO di interconnessione da 8 nm prima e dopo funzionalizzazione con NiOx e Poly-SAM.
Le misure dell'effetto Hall hanno mostrato una resistenza superficiale in diminuzione all'aumentare dello spessore del film, come ci si aspetterebbe. La concentrazione di portatori è rimasta abbastanza stabile tra 8 e 30 nm, intorno a 2,8–3,5 × 10²⁰ cm⁻³, ma scendendo sotto gli 8 nm inizia a diminuire. La mobilità è scesa solo leggermente nella finestra ristretta da 2 a 8 nm, segno che l'integrità del film era ancora intatta. Gli 8 nm si trovano proprio nel punto ottimale in cui la resistenza superficiale è sufficientemente bassa e le prestazioni elettriche non sono crollate.
(a) Spettro XPS ad alta risoluzione di O 1s con picchi adattati dello strato ITO sulla superficie della cella inferiore in c-Si testurizzato. (b) Spettri XPS ad alta risoluzione dello strato ITO da 8 nm sulla cella inferiore in c-Si testurizzato prima e dopo la modifica con NiOx. (c) Immagine SEM in sezione trasversale dello strato ITO da 8 nm sulla cella inferiore in c-Si testurizzato. (d) Mappe EDS elementali corrispondenti della regione focalizzata del campione ITO da 8 nm, con legenda colori-elemento in alto a destra.
Otticamente, assottigliando l'ITO si sono ridotti sia la riflettanza che l'assorbanza sopra i 450 nm, grazie all'interferenza distruttiva e alla minore assorbanza dei portatori liberi.
L'UPS ha mostrato che la funzione lavoro aumentava al diminuire dello spessore e, dopo la modifica con NiOx e il ricottura, il picco della funzione lavoro si è spostato a 8 nm.
Le scansioni KPFM hanno rivelato che l'ITO sub-10 nm sopprimeva tutti i punti di shunt locali, con 8 nm che offriva la migliore uniformità.
L'XPS ha rivelato un dettaglio interessante: la superficie dell'ITO da 8 nm aveva una densità di idrossili superiore rispetto a quella da 20 nm, e questi idrossili formavano legami ponte In─O─Ni con il NiOx, consentendo al NiOx di distribuirsi in modo più uniforme e aderire più saldamente. Dopo la modifica, il segnale In è scomparso completamente, il che indica che la qualità dello strato di copertura era eccellente e ha gettato buone basi per l'auto-assemblaggio del SAM che segue.
SEM e EDS hanno anche confermato che l'ITO da 8 nm forniva una copertura conforme sulla texture.
Prestazioni Fotovoltaiche della Cella Tandem
(a) Variazione di Jsc nelle celle tandem perovskite/silicio; (b) variazione di Voc; (c) variazione di FF; (d) variazione di PCE; (e) immagine SEM in sezione trasversale della cella tandem su ITO; (f) pattern XRD del film di perovskite su ITO; (g) spettro PL in stato stazionario del film di perovskite su ITO; (h) curve PL normalizzate in stato stazionario; (i) spettri di decadimento TRPL transitori del film di perovskite su ITO; (j) immagine di fotoluminescenza della cella tandem, area attiva 0.928 cm².
Tutti e sei gli spessori dell'interconnessione ITO sono stati sottoposti a test J-V.
Sotto i 5 nm, Voc e FF sono calati bruscamente. Voc non poteva superare 1.7 V e il PCE era solo del 21.68%, principalmente perché il film era già discontinuo sulla texture piramidale.
8 nm era la risposta migliore. Il SEM in sezione trasversale ha mostrato grani di perovskite più grandi e densi sull'ITO ultra-sottile (sotto i 10 nm), e l'XRD ha confermato una migliore qualità cristallina, sebbene il campione da 5 nm abbia mostrato un picco di PbI₂, segno che la degradazione era già iniziata. L'intensità PL in stato stazionario è salita da 30 nm fino a 8 nm, poi è scesa di nuovo, quindi 8 nm si trovava proprio al picco, corrispondente alla più bassa densità di difetti.
Il picco caratteristico PL normalizzato non si è spostato, il che significa che la natura della ricombinazione non radiativa all'interfaccia è rimasta la stessa. I tempi di vita dei portatori TRPL erano anch'essi più lunghi a 8 nm. Questi risultati risalgono al dipolo netto più forte e alla funzione lavoro più uniforme che Poly-SAM porta, aumentando insieme Voc e FF. L'imaging PL ha anche esposto non-uniformità sub-micrometriche all'interno della sub-cella di perovskite, ma lo strato ITO ultra-sottile ad alta resistività ha un'elevata resistività laterale, quindi la portata dello shunt locale è stata efficacemente contenuta e non ha mai trascinato verso il basso l'intero dispositivo.
Miglioramento della densità di corrente
(a) Curve EQE delle sub-celle in perovskite e silicio con lo strato di interconnessione ITO da 8 nm; (b) Curve EQE delle celle tandem iniziali e ottimizzate.
Lo strato frontale IZO è stato valutato tramite il fattore di merito Aw × Rsheet⁻¹, e 45 nm è risultato il migliore. Riducendo lo spessore dell'ITO di interconnessione da 20 nm a 10 nm e poi a 8 nm, la Jsc media è aumentata da 19.78 a 19.96 e infine a 20.55 mA cm⁻². Le densità di corrente integrate dalle curve EQE delle sub-celle in perovskite e silicio sono state rispettivamente 20.64 e 20.51 mA cm⁻², in linea con i dati J-V. Rispetto all'ITO da 20 nm, quello da 8 nm ha fornito alla sub-cella in perovskite un extra di 0.06 mA cm⁻² e alla sub-cella in silicio un extra di 0.47, con il contributo nel vicino infrarosso della cella inferiore in silicio che ha guadagnato di più.
Applicazione del prodotto
Prestazioni del dispositivo e stabilità
(a) Struttura schematica e fotografia della cella solare tandem perovskite/silicio; (b) immagine SEM della sezione trasversale della cella tandem; (c) curve J-V delle sub-celle a giunzione singola in perovskite e silicio; (d) curva J-V rappresentativa della cella ad alte prestazioni; (e) variazione di Rs nelle celle tandem perovskite/silicio costruite con strati di interconnessione ITO da 30 nm a 2 nm; (f) risultati del test MPPT della cella tandem incapsulata sotto illuminazione 1-sun.
Una volta ottimizzato lo spessore dell'ITO di interconnessione, il PCE medio dei dispositivi tandem è salito dal 28.64% al 30.67%. L'ITO da 2 nm presentava una resistenza serie Rs fino a 41.26 Ω, quindi la connessione in serie era di fatto interrotta. Con l'ITO da 8 nm la Rs era molto più bassa, l'impedenza interna è diminuita e la perdita di tensione vicino al punto di massima potenza si è ridotta. Per quanto riguarda la stabilità, la cella tandem con ITO da 8 nm ha mantenuto il 96% del suo PCE iniziale dopo 500 ore di MPPT, mentre quella con ITO da 20 nm ne ha mantenuto solo il 90%, collocandosi tra le più stabili nella famiglia di interconnessioni TCO/SAM. Perché così stabile? La copertura del Poly-SAM è elevata e la cristallizzazione della perovskite migliora di conseguenza.
Le regioni coperte da SAM hanno bassa energia superficiale, e i gruppi acidi fosfonici si coordinano con Pb²⁺ e FA⁺, guidando la perovskite a crescere lentamente e in modo ordinato, così i grani risultano grandi. Sulle regioni ITO nude non c'è tale effetto modello, la nucleazione avviene rapidamente e in modo disordinato, e i grani finiscono per essere piccoli con molti bordi di grano. Inoltre, il Poly-SAM passiva i legami insaturi e le vacanze di alogenuri all'interfaccia, la migrazione degli alogenuri viene soppressa e il degrado rallenta. Anche il potenziale superficiale uniforme che l'ITO ultra-sottile stesso apporta aiuta, e con diversi fattori che si sommano la durata del dispositivo aumenta.
Il test di stabilità MPPT qui si basa su un LED simulatore solare di grado 3A+ come sorgente luminosa di invecchiamento, che può controllare la temperatura delle celle e l'atmosfera circostante in diversi modi per eseguire test di stabilità a lungo termine.
Conclusione e prospettive
8 nm è lo spessore ottimale dell'interconnessione ITO per celle tandem perovskite/silicio. Questo spessore sia migliora la qualità cristallina della perovskite che riduce l'assorbimento parassita. Dopo la modifica con NiOx e la funzionalizzazione con Poly-SAM, il potenziale superficiale diventa più uniforme e lo spostamento della funzione lavoro più pronunciato. La superficie ITO da 8 nm porta più gruppi idrossilici, NiOx si distribuisce uniformemente, il SAM si impacchetta densamente, e la copertura conforme sulla texture è stata verificata tramite SEM e EDS. Rispetto al convenzionale ITO da 20 nm, il dispositivo ottimizzato ha raggiunto un'efficienza record del 31,80%, con Jsc aumentata di 0,85 mA cm⁻² e il 96% dell'efficienza iniziale mantenuta dopo 500 ore di MPPT.
Guardando al futuro, c'è ancora molto da migliorare. La texture posteriore e il riflettore ottico possono essere ulteriormente rifiniti per rafforzare la cattura della luce nella cella inferiore in silicio, aumentare la sua corrente e ottenere l'accoppiamento di corrente. FF e Voc rimangono i colli di bottiglia che limitano l'efficienza complessiva, quindi le strategie di passivazione dei contatti devono essere approfondite. Anche architetture di interconnessione alternative come le giunzioni tunnel a base di silicio valgono la pena di essere provate. Quando si tratta di scalare la produzione, lo spessore del TCO e il design della griglia metallica devono essere ottimizzati insieme, così che su grandi aree l'ombreggiamento non sia troppo pesante e la conduzione laterale non ne risenta. E con uno strato più sottile, l'uso di indio diminuisce, quindi anche la sostenibilità ne beneficia.
Il Punto di Vista di Ooitech
Ciò che colpisce è che pochi nanometri di ITO possono influenzare sia l'ottica che la cristallizzazione su quella texture piramidale da 600 nm, e lo stesso problema di copertura conforme è esattamente ciò che emerge quando le linee tandem passano da coupon di laboratorio a moduli a grandezza naturale. Sul piano produttivo, le fasi di tabber-stringer, layup e laminazione devono tutte rispettare queste interfacce fragili di interconnessione e SAM, ed è qui che un'attrezzatura di linea per moduli uniforme e ben calibrata dimostra il suo valore. Se vuoi vedere come questi processi appaiono su scala di fabbrica reale, il canale YouTube di Ooitech all'indirizzo www.youtube.com/ooitech vale la pena di essere seguito.
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Approfondimenti e dati di contesto
Materiale di riferimento pubblico su questo argomento, pubblicato dalle organizzazioni che mantengono la roadmap tecnologica e i dati di mercato del settore:
