Productintroductie

Monolithische perovskiet/silicium tandemzonnecellen zijn een van de duidelijkste routes voorbij de efficiëntiegrens van enkelvoudige cellen. De bovenste cel en onderste cel zijn in serie geschakeld via een recombinatie-verbindingslaag, en hoe goed die interface is, bepaalt of ladingsdragers soepel kunnen worden getransporteerd en gerecombineerd. Het probleem zit op het micro-piramide getextureerde oppervlak van de silicium heterojunctie (SHJ) onderste cel. De piramides zijn ongeveer 600 nm hoog, en op dat terrein lijdt de recombinatielaag aan optisch parasitair verlies terwijl de zelf-assemblerende monolaag (SAM) nooit gelijkmatig verspreidt. Na verloop van tijd drukt dit de prestaties van het apparaat.

Dit werk mat indiumtinoxide (ITO) verbindingslagen van 2 tot 30 nm dik en ontdekte dat een ultradunne 8 nm laag het beste werkt op twee fronten tegelijk: het verminderen van optisch verlies en het verbeteren van de uniformiteit van het oppervlaktepotentiaal. Nadat NiOx-modificatie en Poly-SAM-functionaliseering er bovenop waren gestapeld, steeg de kortsluitstroomdichtheid met 0,85 mA cm⁻² tot 20,82 mA cm⁻², bereikte de energieconversie-efficiëntie 31,80%, en na 500 uur maximale vermogenspunt tracking behield het apparaat nog 96% van zijn initiële efficiëntie.

Experimentele Methode

De SHJ onderste cel gebruikte n-type siliciumwafers, 110 ± 10 µm dik, KOH dubbelzijdig getextureerd in piramides van ongeveer 600 nm hoog. Na RCA-reiniging deponeerde PECVD passiverings- en gedoteerde lagen in volgorde: de voorkant kreeg 8 nm intrinsiek a-Si:H(i) plus 15 nm n-type nc-SiOx:H(n), de achterkant kreeg 8 nm p-type a-Si:H(p), vervolgens werd 110 nm ITO gesputterd en 700 nm Ag verdampt op de achterkant. Aan de voorkant werden zes ITO-verbindingsdiktes apart gedeponeerd: 2, 5, 8, 10, 20 en 30 nm, uitgegloeid bij 180°C en laser gegraveerd.

De perovskiet-topcel volgde deze route. De bodemcel werd eerst uitgegloeid en met UV-ozon behandeld, vervolgens werd NiOx gedeponeerd door magnetronsputteren, gevolgd door een nieuwe gloei- en UV-ozonstap. In een stikstofglovebox werd Poly-SAM spin-coated (0,5 mg mL⁻¹, oplosmiddel methanol en chlorobenzeen in verhouding 1:1) en uitgegloeid bij 100°C. De perovskiet was Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ met een bandgap van 1,68 eV, spin-coated in twee stappen, met chlorobenzeen gedruppeld als antisolvent tijdens de hogesnelheidsfase en gebakken bij 100°C gedurende 20 minuten. Het oppervlak werd aangepast met PDADI, vervolgens werd C₆₀ thermisch verdampt, SnO₂ gegroeid door ALD, 45 nm IZO gesputterd, Ag-elektroden verdampt, en ten slotte werd een MgF₂-antireflectiefilm als afdekking aangebracht.

Technische voordelen

Opto-elektronische eigenschappen van ITO-tussenlaag

(a) Rsh, Ne en µ versus dikte (n = 10); (b) optische absorptie en reflectie van de ITO-laag; (c) werkfunctie versus dikte; (d) werkfunctieverschuiving (ΔWF) voor en na NiOx-behandeling bij verschillende diktes; (e) schematische weergave van SAM-verdeling op NiOx-gemodificeerd ITO; (f) KPFM-oppervlaktepotentiaalbeelden van 2–30 nm interconnect ITO; (g) KPFM-oppervlaktepotentiaalbeelden van 8 nm interconnect ITO voor en na NiOx- en Poly-SAM-functionalizatie.

Hall-effectmetingen toonden aan dat de bladweerstand daalde naarmate de filmdikte toenam, zoals verwacht. De ladingsdragerconcentratie bleef vrij stabiel tussen 8 en 30 nm, rond 2,8 tot 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, maar onder 8 nm begint deze af te nemen. De mobiliteit daalde slechts lichtjes in het smalle venster van 2 tot 8 nm, een teken dat de filmintegriteit nog intact was. 8 nm valt precies in het optimale punt waar de bladweerstand laag genoeg is en de elektrische prestaties niet zijn ingestort.

(a) Piekgemonteerd O 1s hoge-resolutie XPS-spectrum van de ITO-laag op het gestructureerde c-Si-bodemceloppervlak. (b) Hoge-resolutie XPS-spectra van de 8 nm ITO-laag op de gestructureerde c-Si-bodemcel voor en na NiOx-modificatie. (c) Dwarsdoorsnede-SEM-beeld van de 8 nm ITO-laag op de gestructureerde c-Si-bodemcel. (d) Bijbehorende EDS-elementkaarten van het gefocusseerde gebied van het 8 nm ITO-monster, met de kleur-elementlegenda rechtsboven.

Optisch gezien verlaagde het dunner maken van het ITO zowel de reflectie als de absorptie boven 450 nm, dankzij destructieve interferentie plus zwakkere vrije-dragerabsorptie.

• UPS toonde aan dat de werkfunctie steeg naarmate de dikte afnam, en na NiOx-modificatie en uitgloeiing piekte de werkfunctieverschuiving bij 8 nm.

• KPFM-gebiedsscans onthulden dat sub-10 nm ITO alle lokale shuntpunten onderdrukte, waarbij 8 nm de beste uniformiteit gaf.

• XPS bracht een interessant detail aan het licht: het 8 nm ITO-oppervlak had een hogere hydroxyl-dichtheid dan het 20 nm-oppervlak, en die hydroxylen vormden In─O─Ni-brugbindingen met NiOx, waardoor NiOx gelijkmatiger verspreidde en steviger hechtte. Na modificatie verdween het In-signaal volledig, wat aangeeft dat de dekkingslaag van uitstekende kwaliteit was en een goede basis legde voor de daaropvolgende SAM-zelfassemblage.

• SEM en EDS bevestigden ook dat het 8 nm ITO een conforme bedekking over de textuur gaf.

Fotovoltaïsche prestaties van tandemcel

(a) Variatie van Jsc in perovskiet/silicium tandemcellen; (b) variatie van Voc; (c) variatie van FF; (d) variatie van PCE; (e) dwarsdoorsnede SEM-afbeelding van de tandemcel op ITO; (f) XRD-patroon van de perovskietfilm op ITO; (g) steady-state PL-spectrum van de perovskietfilm op ITO; (h) genormaliseerde steady-state PL-curven; (i) transiënte TRPL-vervalspectra van de perovskietfilm op ITO; (j) fotoluminescentie-afbeelding van de tandemcel, actief gebied 0,928 cm².

Alle zes ITO-tussenlaagdiktes werden getest met J-V-metingen.

• Onder 5 nm daalden Voc en FF sterk. Voc kon niet boven 1,7 V worden gebracht en PCE bedroeg slechts 21,68%, voornamelijk omdat de film al discontinu was op de pyramidetextuur.

• 8 nm was het beste antwoord. Dwarsdoorsnede SEM toonde grotere en dichtere perovskietkorrels op het ultradunne ITO (onder 10 nm), en XRD bevestigde een betere kristallijne kwaliteit, hoewel het 5 nm-monster een PbI₂-piek vertoonde, een teken dat degradatie al was begonnen. De steady-state PL-intensiteit steeg van 30 nm tot 8 nm en daalde daarna weer, dus 8 nm zat precies op de piek, overeenkomend met de laagste defectdichtheid.

• De genormaliseerde PL-karakteristieke piek verschoof niet, wat betekent dat de aard van de niet-stralende recombinatie aan het grensvlak hetzelfde bleef. TRPL-dragerlevensduren waren eveneens het langst bij 8 nm. Deze resultaten zijn terug te voeren op het sterkere netto dipool en de meer uniforme werkfunctie die Poly-SAM biedt, waardoor Voc en FF samen worden verhoogd. PL-beeldvorming onthulde ook sub-micron niet-uniformiteit in de perovskiet-subcel, maar de ultradunne hoogohmige ITO-laag heeft een hoge laterale weerstand, waardoor het bereik van lokale shunting effectief werd ingeperkt en het hele apparaat niet werd aangetast.

Verbetering van de stroomdichtheid

(a) EQE-curven van de perovskiet- en silicium-subcellen onder de 8 nm ITO-tussenlaag; (b) EQE-curven van de initiële en geoptimaliseerde tandemcellen.

De voorste IZO-laag werd beoordeeld op basis van de kwaliteitsfactor Aw × Rsheet⁻¹, en 45 nm kwam als beste naar voren. Het verdunnen van de ITO-tussenlaag van 20 nm naar 10 nm naar 8 nm verhoogde de gemiddelde Jsc van 19,78 naar 19,96 naar 20,55 mA cm⁻². De EQE-geïntegreerde stroomdichtheden van de perovskiet- en silicium-subcellen waren respectievelijk 20,64 en 20,51 mA cm⁻², in lijn met de J-V-gegevens. Vergeleken met 20 nm ITO leverde 8 nm de perovskiet-subcel een extra 0,06 mA cm⁻² op en de silicium-subcel een extra 0,47, waarbij de bijdrage in het nabij-infrarood van de silicium-bodemcel het meest toenam.

Producttoepassing

Apparaatprestaties en stabiliteit

(a) Schematische structuur en foto van de perovskiet/silicium tandemzonnecel; (b) dwarsdoorsnede-SEM-afbeelding van de tandemcel; (c) J-V-curven van de enkelvoudige junctie perovskiet- en silicium-subcellen; (d) representatieve J-V-curve van de hoogwaardige cel; (e) variatie van Rs in perovskiet/silicium tandemcellen gebouwd op 30 nm tot 2 nm ITO-tussenlagen; (f) MPPT-testresultaten van de ingekapselde tandemcel onder 1-zon verlichting.

Zodra de dikte van de ITO-tussenlaag was ingesteld, steeg het gemiddelde rendement (PCE) van de tandemapparaten van 28,64% naar 30,67%. De 2 nm ITO had een serieweerstand Rs van maar liefst 41,26 Ω, waardoor de serieverbinding in feite verbroken was. De 8 nm Rs was veel lager, de interne impedantie nam af en het spanningsverlies nabij het maximale vermogenspunt nam af. Wat stabiliteit betreft, behield de 8 nm ITO-tandemcel 96% van zijn initiële PCE na 500 uur MPPT, terwijl de 20 nm cel slechts 90% behield, waarmee het tot de meest stabiele in de TCO/SAM-tussenlaagfamilie behoort. Waarom zo stabiel? De Poly-SAM-bedekking is hoog en de perovskietkristallisatie verbetert daarmee.

Regio's bedekt met SAM hebben een lage oppervlakte-energie, en de fosfonzuurgroepen coördineren met Pb²⁺ en FA⁺, waardoor de perovskiet langzaam en geordend groeit, zodat de korrels groot worden. Op kale ITO-regio's is er geen dergelijk sjablooneffect, de nucleatie verloopt snel en ongeordend, en de korrels worden klein met veel korrelgrenzen. Bovendien passivert Poly-SAM de onverzadigde bindingen en halogeenvacatures op het grensvlak, wordt halogeenmigratie onderdrukt en vertraagt de degradatie. Het uniforme oppervlaktepotentiaal dat ultradun ITO zelf biedt, helpt ook, en door de combinatie van verschillende factoren neemt de levensduur van het apparaat toe.

De MPPT-stabiliteitstest hier maakt gebruik van een LED-zonnesimulator van 3A+ klasse als verouderingslichtbron, die de celtemperatuur en de omringende atmosfeer op verschillende manieren kan regelen om langdurige stabiliteitstests uit te voeren.

Conclusie en Vooruitzicht

8 nm is de optimale ITO-tussenlaagdikte voor perovskiet/silicium tandemcellen. Deze dikte verbetert zowel de kristallijne kwaliteit van de perovskiet als vermindert de parasitaire absorptie. Na NiOx-modificatie en Poly-SAM-functionalizatie wordt het oppervlaktepotentiaal uniformer en de werkfunctieverschuiving duidelijker. Het 8 nm ITO-oppervlak draagt meer hydroxylgroepen, NiOx verspreidt zich gelijkmatig, de SAM pakt dicht in, en de conforme bedekking over de textuur werd bevestigd door SEM en EDS. In vergelijking met de conventionele 20 nm ITO bereikte de geoptimaliseerde cel een recordrendement van 31,80%, met Jsc verhoogd met 0,85 mA cm⁻² en 96% van het initiële rendement behouden na 500 uur MPPT.

Vooruitkijkend is er nog veel te verbeteren. De achtertextuur en optische reflector kunnen verder worden verfijnd om de lichtvangst in de silicium ondercel te versterken, de stroom te verhogen en de stroomafstemming te perfectioneren. FF en Voc blijven de knelpunten die het totale rendement beperken, dus contactpassiveringsstrategieën moeten dieper worden onderzocht. Alternatieve tussenlaagarchitecturen zoals op silicium gebaseerde tunneljuncties zijn ook het proberen waard. Wat betreft opschaling naar productie, moeten TCO-dikte en metallisatieroosterontwerp samen worden afgestemd, zodat over grote oppervlakken de schaduw niet te zwaar is en de laterale geleiding niet lijdt. En met een dunnere laag neemt het indiumverbruik af, wat ook duurzaamheidsvoordelen oplevert.

Ooitech's Visie

Wat hier opvalt is dat een paar nanometer ITO zowel de optica als de kristallisatie op die 600 nm piramidetextuur kan beïnvloeden, en datzelfde conforme-bedekkingsprobleem komt precies naar voren wanneer tandemlijnen overstappen van labcoupons naar volwaardige modules. Op de productievloer moeten de tabber-stringer-, lay-up- en laminatiestappen allemaal rekening houden met deze fragiele interconnect- en SAM-grensvlakken, waar uniforme, goed afgestemde modulelijnapparatuur zijn waarde bewijst. Als u wilt zien hoe deze processen eruitzien op echte fabrieksschaal, het Ooitech YouTube-kanaal op www.youtube.com/ooitech het volgen waard.