Inleiding

Volledig perovskiet tandemzonnemodules worden algemeen beschouwd als een sterke kandidaat voor de volgende generatie fotovoltaïsche technologie vanwege hun hoge rendement en lage kostpotentieel. Toch wordt grootschalige commercialisering ernstig belemmerd. Hoewel kleinschalige apparaten al een rendement van 30% hebben overschreden, blijven grootschalige modules (≥20 cm²) al lang steken rond 24,5%. De belangrijkste boosdoeners zijn de sterke nabij-infrarood parasitaire absorptie en thermische instabiliteit van het grensvlak van de Au/PEDOT:PSS-structuur in conventionele op goud gebaseerde tunnelrecombinatiejuncties (TRJ's), samen met verslechterd ladingstransport in grootschalige Pb-Sn perovskietfilms veroorzaakt door niet-uniforme kristallisatie tijdens bladcoaten.

Deze studie ontwikkelt een oplossingsgebaseerde TRJ gebouwd op oppervlakte-gemanipuleerde In₂O₃ nanokristallen. Door de nanokristalmorfologie en oppervlaktechemie af te stemmen, bereikte het team een hoge optische transparantie, gladde grensvlakken en ideale energieniveau-uitlijning. Tegelijkertijd werden fosfonzuur-type additieven geïntroduceerd in het Pb-Sn perovskietprecursor om het elektronisch contact met de In₂O₃ recombinatielaag te verbeteren, de gatenextractie te versterken en de kristallisatiekinetiek af te stemmen om restspanning in grootschalige films te verlichten. Deze gecombineerde strategie verhoogt tegelijkertijd de dragerrecombinatie-efficiëntie bij de junctie, de ladingsextractie en de uniformiteit van grootschalige films, wat uiteindelijk leidt tot een JET-gecertificeerd rendement van 26,2% over een apertuuroppervlak van 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — een belangrijke mijlpaal op weg naar opschaling van volledig perovskiet tandem fotovoltaïsche systemen.

Ontwerp en Voordelen van de Nieuwe TRJ

Het werk stelt een oplossingsverwerkt alternatief voor: een nieuwe TRJ (Type III) opgebouwd uit oppervlakte-gemanipuleerde indiumoxide nanokristallen (In₂O₃ NC's). Het wordt systematisch vergeleken met de conventionele Au/PEDOT:PSS Type I structuur en een Type II structuur op basis van commerciële ITO nanokristallen.

Structuur- en interfacekenmerken

De zelfgesynthetiseerde In₂O₃ NC's hebben een veel kleinere deeltjesgrootte dan commerciële ITO NC's, vormen een gladder begraven grensvlak en verlagen effectief de contactdefectdichtheid. Elektrische tests tonen aan dat de Type III structuur ideaal ohms contactgedrag vertoont zonder ladings transportbarrière.

Optische en thermische stabiliteit

Optische karakterisering toont aan dat PEDOT:PSS in Type I ernstig parasitair absorptieverlies veroorzaakt, terwijl de In₂O₃ NC-film zeer optisch transparant is. Bij versnelde thermische veroudering bij 85°C daalde het rendement van Type I modules binnen 50 uur tot onder de helft van de initiële waarde, terwijl de NC-gebaseerde Type II en Type III na 200 uur ongeveer 75% van het initiële rendement behielden. Op een 10×10 cm² substraat vertoonden mes-gecoate NC-films een veel uniformere optische absorptie dan dunne thermisch verdampte Au-films, wat het inherente voordeel van oplossingsverwerkte nanokristallen in schaalbare productie volledig aantoont.

Optimaliseren van de fabricage van grote perovskietfilms

Nu het optische verlies en de instabiliteit van de TRJ zijn opgelost, werd de uniforme fabricage van grote Pb-Sn perovskietfilms de volgende technische barrière. Conventionele DMF/DMSO-oplosmiddelsystemen hebben hoge kookpunten en langzame verdamping, waardoor hun nucleatiekinetiek achterblijft tijdens hogesnelheidsmescoating, wat het moeilijk maakt om uniforme films op grote substraten te vormen.

Om dit op te lossen, ontwikkelde het team een binair oplosmiddelsysteem op basis van 2-methoxyethanol (2-Me) en tetrahydrofuraan (THF). Met zijn lage kookpunt en hoge dampspanning bereikt dit systeem snel kritische oververzadiging en versnelt het de nucleatie aanzienlijk. Hiermee werd de mescoatsnelheid van Pb-Sn perovskiet verhoogd van 5 mm/s in het traditionele DMF-systeem tot 30 mm/s, wat zeer uniforme fotoluminescentie (PL)-intensiteit en uitstekende apparaatconsistentie opleverde op 10×10 cm² en grotere substraten. Dit doorbrak met succes de kristallisatiekinetiekuitdaging van grootvlakcoating en behaalde een voorlopige rendementsvalidatie van 17,5% over een apertuuroppervlak van 65 cm².

Oppervlakteligandmanipulatie en energieniveau-afstemming

Na het verwijderen van PEDOT:PSS daalden de optische verliezen, maar de open-klemspanning (VOC) en vulfactor (FF) namen af, toegeschreven aan verhoogde grensvlaktransportbarrières en niet-stralende recombinatie tussen de perovskiet en de NC-laag. Om dit aan te pakken, implementeerde de studie een dubbele synergistische optimalisatiestrategie:

Oppervlakteligand-engineering om energieniveaus af te stemmen

Via liganduitwisseling werden MMES en MMPA gebruikt om het oppervlak van de In₂O₃ NC's te modificeren. UV-foto-elektronenspectroscopie (UPS) toonde aan dat MMPA-gemodificeerde In₂O₃ NC's gunstige grensvlakbandbuiging bereiken met de doelperovskietfilm (opwaartse buiging van ongeveer 50 meV), wat de gatenextractie aanzienlijk bevordert, terwijl OAm- of MMES-modificatie neerwaartse buiging en een transportbarrière veroorzaakte. Ruimteladingsbegrensde stroom (SCLC)-tests sloten enige ligandinterferentie op de mobiliteit zelf uit, wat bevestigt dat de prestatieverbetering voornamelijk voortkomt uit geoptimaliseerde energieniveau-uitlijning.

Bulkkoping met fosfonzuur-gatenselectief materiaal (HSM)

Het team doteerde fosfonzuur-HSM's zoals MeO-2PACz direct in de Pb-Sn perovskietprecursor (geoptimaliseerd op 0,2 mol%) in plaats van ze te beperken tot grensvlakmodificatie. Deze bulkkopingstrategie vermijdt het probleem van ongelijke SAM-bedekking over grote oppervlakken. UPS toonde aan dat na HSM-doping de werkfunctie van de perovskiet verschoof van 5,04 eV naar 4,81 eV, de valentiebandmaximum omhoog bewoog en het n-type karakter verzwakte, wat beter aansluit bij de energieniveaus van de In₂O₃ NC's. De resulterende HTL-vrije enkelvoudige Pb-Sn cel bereikte 23% efficiëntie, terwijl een mes-gecoate device met In₂O₃-MMPA NC's als gaten transportlaag (HTL) 24,0% reverse-scan efficiëntie behaalde met een JSC van maar liefst 33,8 mA cm⁻².

Meerdere rollen van HSM op de perovskietfilm

De rol van HSM gaat veel verder dan ladingstransport — het beïnvloedt diepgaand de filmkristallisatie en defectpassivering:

Kristallisatiecontrole en defectonderdrukking

Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) toonde aan dat na HSM-doping de dendritische onzuiverheden die oorspronkelijk korrelgrenzen in de Pb-Sn film doorsneden, verdwenen, de korrelgrootte aanzienlijk toenam en korrelgrenzen een 'versmolten' uiterlijk kregen. GIWAXS en XRD bevestigden dat HSM effectief de vorming van PbI₂-onzuiverheidsfase onderdrukte. Vloeistof-¹H NMR onthulde verder dat HSM, via preferentiële deprotonering, vrije zure fosforgroepen verbruikt, waardoor hun zure deprotonering van FA⁺-kationen wordt voorkomen en de precursorchemie wordt gestabiliseerd.

Verbeterde ladingsdragersdynamiek

Transiënte absorptiespectroscopie (TAS) toonde aan dat defect-geassisteerde niet-stralende recombinatie aanzienlijk werd onderdrukt na HSM-doping. De steady-state PL-intensiteit steeg sterk, de gemiddelde PL-levensduur verlengde van 1042 ns naar 1889 ns, met een bijzonder sterke passivering aan de onderste interface, waardoor ladinginvang aan de begraven interface effectief werd verminderd. OPTP-spectroscopie toonde aan dat de dragermobiliteit van de doelfilm steeg van 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ naar 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ en de diffusielengte groeide van 2,65 μm naar 4,78 μm, wat een algehele verbetering van de bulkfilmkwaliteit bevestigt.

Prestaties en stabiliteit van modules met groot oppervlak

Voortbouwend op deze synergistische strategieën fabriceerde het team een volledig perovskiet tandemmodule met een apertuuroppervlak van 65 cm² (14 subcellen in serie). De kampioensmodule met de Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ bereikte een lab-getest rendement van 26,6% (reverse scan), met VOC van 30,4 V, JSC van 1,12 mA cm⁻² en FF van 78,2%. Het JET-gecertificeerde gestabiliseerde rendement bereikte 26,2%, duidelijk beter dan de controlem module met de conventionele Type I TRJ (24,8%). Na optimalisatie van de dode zone bereikte de geometrische vulfactor 96,5%, wat een equivalent actief-oppervlakterendement opleverde van maar liefst 27,6%. EQE-ruimtelijke mapping toonde aan dat, over 16 verschillende posities, de geïntegreerde stroomdichtheden van de bovenste en onderste subcellen gemiddeld respectievelijk 16,3 en 16,2 mA cm⁻² bedroegen — nauw overeenkomend met de J-V-resultaten en beide doorbraken van de eerder gerapporteerde sub-15 mA cm⁻² module bottleneck.

Wat betreft betrouwbaarheid, volgens de IEC 61215:2021-norm, bereikte de ingekapselde Type III-module een T90-levensduur (behoud van 90% van het initiële rendement) van 771 uur onder continue 1-zon MPP-tracking, en behield nog 82,5% rendement na 1000 uur. In de veeleisende 85°C/85% RH damp-warmtetest (ISOS-D-3) bereikte de Type III-module een gemiddelde T84-levensduur van 1000 uur, terwijl de Type I-module al onder de 40% rendement was gezakt; in de thermische cyclustest van -40°C tot 85°C (ISOS-T-3) behield de Type III-module 93% van het initiële rendement na 200 cycli. Alle versnelde verouderingsexperimenten bevestigden dat de uitstekende stabiliteit van Type III voortkomt uit het volledig elimineren van de instabiliteitsfactoren die worden veroorzaakt door PEDOT:PSS.

Door middel van oppervlakte-gemanipuleerde In₂O₃ nanokristal recombinatieovergangen en synergistische bulk/interface HSM-techniek heeft dit werk met succes een gecertificeerd rendement van 26,2% behaald voor een volledig perovskiet tandemzonnemodule over een apertuuroppervlak van 65 cm², wat leidt tot doorbraken in modulegrootte, efficiëntie en operationele stabiliteit. Het werk toont sterk het commercialiseringspotentieel van volledig perovskiet tandem fotovoltaïsche technologie. Vooruitkijkend zal het vergroten van het moduleoppervlak tot boven 800 cm² een synergistische optimalisatie vereisen van depositieprocessen zoals slot-die coating samen met methoden zoals vacuüm-ondersteunde kristallisatie, om hoogwaardige, uniforme fabricage van grootschalige breed- en smalbandgap subcellen te waarborgen.

Referentie- en testapparatuur

Een composiet perovskiet MPPT-tester die een A+AA+ klasse LED-zonnesimulator als verouderingsbron gebruikt, biedt sterke ondersteuning voor perovskietzonnecelonderzoek door geavanceerde technologie en multifunctioneel ontwerp. Dergelijke instrumenten worden voornamelijk gebruikt voor stabiliteitstesten van afgewerkte perovskiet enkele- en tandemcellen. Omdat de uitgangskarakteristieken van perovskietcellen gemakkelijk worden beïnvloed door omgevingsfactoren zoals licht en temperatuur, fluctueert het maximale vermogenspunt vaak. Een MPPT-controller volgt en vergrendelt het maximale vermogenspunt in realtime, waardoor het systeem altijd op optimaal vermogen werkt.

Referentie: Nanokristal-gemanipuleerde recombinatie voor volledig perovskiet tandemzonnemodules

Ooitech's Visie

Ooitech gelooft: oppervlakte-gemanipuleerde In₂O₃ nanokristal recombinatieovergangen in combinatie met HSM bulk/interface-techniek hebben grootschalige volledig perovskiet tandemmodules naar een gecertificeerd rendement van 26,2% gebracht, waardoor deze technologie een beslissende stap dichter bij commercialisering komt.