Прорыв: сертифицированная эффективность 26,2%

Краткий ответ: Полностью перовскитный тандемный солнечный модуль достиг сертифицированной эффективности 26,2%, и этот результат важен потому, что полностью перовскитная конструкция полностью исключает нижний кремниевый элемент. Модуль продемонстрировал напряжение холостого хода около 2,182 В, что близко к удвоенному значению для однопереходного кремниевого элемента и является признаком двух последовательно соединённых переходов. Сертификационные испытания включали воздействие влажного тепла при 85 °C и механические требования IEC 61215, с тестовой геометрией класса от 5 мм до 30 мм. Перовскитные тандемы исторически не проходили по стабильности, а не по эффективности, и именно это отличает сертифицированный результат от лабораторного рекорда. Оставшийся разрыв до производства — это площадь: большинство рекордов получено на небольших модулях, а масштабирование перовскитного покрытия до полноразмерного модуля без пор и потери однородности — отдельная инженерная задача.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение

Полностью перовскитные тандемные солнечные модули широко считаются сильным кандидатом для фотоэлектрической технологии следующего поколения благодаря их высокой эффективности и потенциалу низкой стоимости. Однако крупномасштабная коммерциализация серьезно сдерживалась. В то время как малогабаритные устройства уже превысили 30% эффективности, крупноформатные модули (≥20 см²) долгое время оставались на уровне около 24,5%. Основными виновниками являются сильное паразитное поглощение в ближней инфракрасной области и термическая нестабильность интерфейса структуры Au/PEDOT:PSS в обычных туннельных рекомбинационных переходах (ТРП) на основе золота, а также ухудшенный перенос заряда в крупноформатных пленках перовскита Pb-Sn, вызванный неравномерной кристаллизацией при нанесении ракелем.

В этом исследовании разрабатывается растворный ТРП на основе нанокристаллов In₂O₃ с модифицированной поверхностью. Настраивая морфологию нанокристаллов и химию поверхности, команда достигла высокой оптической прозрачности, гладких интерфейсов и идеального выравнивания энергетических уровней. В то же время в прекурсор перовскита Pb-Sn были введены добавки на основе фосфоновой кислоты для улучшения электрического контакта с рекомбинационным слоем In₂O₃, улучшения извлечения дырок и настройки кинетики кристаллизации для снятия остаточного напряжения в крупноформатных пленках. Эта комбинированная стратегия одновременно повышает эффективность рекомбинации носителей на переходе, извлечение заряда и однородность крупноформатных пленок, что в конечном итоге обеспечивает сертифицированную JET эффективность 26,2% на площади апертуры 65 см² (VOC = 2,182 В, FF = 77,4%, JSC = 15,6 мА см⁻²) — ключевой этап на пути к масштабированию полностью перовскитной тандемной фотоэлектрической технологии.

Дизайн и преимущества нового ТРП

В работе предлагается растворная альтернатива: новый ТРП (тип III), построенный на основе нанокристаллов оксида индия с модифицированной поверхностью (нанокристаллы In₂O₃). Он систематически сравнивается с обычной структурой типа I на основе Au/PEDOT:PSS и структурой типа II на основе коммерческих нанокристаллов ITO.

Структура и характеристики интерфейса

Самосинтезированные нанокристаллы In₂O₃ имеют значительно меньший размер частиц, чем коммерческие нанокристаллы ITO, что формирует более гладкий скрытый интерфейс и эффективно снижает плотность дефектов контакта. Электрические испытания показывают, что структура типа III демонстрирует идеальное омическое контактное поведение без барьера переноса заряда.

Оптическая и термическая стабильность

Оптическая характеризация показывает, что PEDOT:PSS в типе I вызывает серьезные паразитные потери поглощения, тогда как пленка из нанокристаллов In₂O₃ обладает высокой оптической прозрачностью. При ускоренном термическом старении при 85°C эффективность модуля типа I упала ниже половины начального значения в течение 50 часов, в то время как типы II и III на основе нанокристаллов сохранили около 75% начальной эффективности после 200 часов. На подложке 10×10 см² пленки из нанокристаллов, нанесенные ракелем, показали гораздо более равномерное оптическое поглощение, чем тонкие термически напыленные пленки Au, что полностью демонстрирует неотъемлемое преимущество нанокристаллов, обработанных в растворе, в масштабируемом производстве.

Оптимизация изготовления перовскитных пленок большой площади

После устранения оптических потерь и нестабильности TRJ, равномерное изготовление перовскитных пленок Pb-Sn большой площади стало следующей технической проблемой. Обычные системы растворителей DMF/DMSO имеют высокие температуры кипения и медленную летучесть, поэтому их кинетика нуклеации отстает при высокоскоростном нанесении ракелем, что затрудняет формирование равномерных пленок на больших подложках.

Для решения этой проблемы команда разработала бинарную систему растворителей на основе 2-метоксиэтанола (2-Me) и тетрагидрофурана (THF). Благодаря низкой температуре кипения и высокому давлению пара эта система быстро достигает критического перенасыщения и заметно ускоряет нуклеацию. С ее использованием скорость нанесения перовскита Pb-Sn ракелем была увеличена с 5 мм/с в традиционной системе DMF до 30 мм/с, обеспечивая высокую однородность интенсивности фотолюминесценции (PL) и отличную согласованность устройств на подложках 10×10 см² и больше. Это успешно решило проблему кинетики кристаллизации при нанесении на большие площади и позволило достичь предварительной эффективности 17,5% на апертурной площади 65 см².

Инженерия поверхностных лигандов и согласование энергетических уровней

После удаления PEDOT:PSS оптические потери снизились, но напряжение холостого хода (VOC) и фактор заполнения (FF) уменьшились, что объясняется увеличением межфазных транспортных барьеров и безызлучательной рекомбинацией между перовскитом и слоем нанокристаллов. Для решения этой проблемы в исследовании была реализована двойная синергетическая стратегия оптимизации:

Инженерия поверхностных лигандов для настройки энергетических уровней

Посредством лигандного обмена MMES и MMPA использовались для модификации поверхности нанокристаллов In₂O₃. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) показала, что нанокристаллы In₂O₃, модифицированные MMPA, достигают благоприятного изгиба зон на границе раздела с целевой перовскитной пленкой (изгиб вверх примерно на 50 мэВ), что значительно способствует извлечению дырок, тогда как модификация OAm или MMES вызывала изгиб вниз и транспортный барьер. Тесты на ток, ограниченный пространственным зарядом (SCLC), исключили какое-либо влияние лигандов на саму подвижность, подтвердив, что прирост производительности в основном обусловлен оптимизированным выравниванием энергетических уровней.

Объемное легирование дырочно-селективным материалом (HSM) на основе фосфоновой кислоты

Команда легировала дырочно-селективные материалы на основе фосфоновой кислоты, такие как MeO-2PACz, непосредственно в прекурсор перовскита Pb-Sn (оптимизировано при 0,2 мол.%), а не ограничивалась модификацией интерфейса. Эта стратегия объемного легирования позволяет избежать проблемы неравномерного покрытия SAM на больших площадях. UPS показала, что после легирования HSM работа выхода перовскита сместилась с 5,04 эВ до 4,81 эВ, максимум валентной зоны сместился вверх, а характер n-типа ослаб, что лучше соответствует энергетическим уровням нанокристаллов In₂O₃. Полученный без HTL однопереходный элемент Pb-Sn достиг эффективности 23%, в то время как устройство с покрытием лезвием, использующее нанокристаллы In₂O₃-MMPA в качестве дырочного транспортного слоя (HTL), достигло эффективности 24,0% при обратном сканировании с плотностью тока короткого замыкания (JSC) до 33,8 мА см⁻².

Множественные роли HSM в перовскитной пленке

Роль HSM выходит далеко за рамки транспорта заряда — он глубоко влияет на кристаллизацию пленки и пассивацию дефектов:

Контроль кристаллизации и подавление дефектов

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) показала, что после легирования HSM дендритные примеси, первоначально пересекающие границы зерен в пленке Pb-Sn, исчезли, размер зерен заметно увеличился, а границы зерен приобрели вид «сплавленных». GIWAXS и XRD подтвердили, что HSM эффективно подавляет образование примесной фазы PbI₂. Жидкофазная ¹H ЯМР-спектроскопия дополнительно показала, что HSM, благодаря преимущественному депротонированию, потребляет свободные кислотные фосфоновые группы, предотвращая тем самым их кислотное депротонирование катионов FA⁺ и стабилизируя химию прекурсора.

Улучшенная динамика носителей

Транзиентная абсорбционная спектроскопия (TAS) показала, что дефектно-ассистированная безызлучательная рекомбинация была значительно подавлена после легирования HSM. Интенсивность стационарной фотолюминесценции резко возросла, среднее время жизни фотолюминесценции увеличилось с 1042 нс до 1889 нс, при этом особенно сильная пассивация наблюдалась на нижнем интерфейсе, что эффективно снижало захват заряда на скрытом интерфейсе. Спектроскопия OPTP показала, что подвижность носителей в целевом пленочном образце возросла с 20 см² В⁻¹ с⁻¹ до 36 см² В⁻¹ с⁻¹, а длина диффузии увеличилась с 2,65 мкм до 4,78 мкм, что подтверждает всестороннее улучшение качества объемной пленки.

Производительность и стабильность модулей большой площади

Основываясь на этих синергетических стратегиях, команда изготовила тандемный модуль на основе перовскитов с апертурной площадью 65 см² (14 субъячеек, соединенных последовательно). Лучший модуль с использованием TRJ типа III (In₂O₃-MMPA) достиг эффективности 26,6% по результатам лабораторных испытаний (обратное сканирование), с VOC 30,4 В, JSC 1,12 мА см⁻² и FF 78,2%. Его сертифицированная JET стабилизированная эффективность достигла 26,2%, что явно превосходит контрольный модуль с обычным TRJ типа I (24,8%). После оптимизации мертвой зоны геометрический фактор заполнения достиг 96,5%, что дает эквивалентную эффективность активной области до 27,6%. Пространственное картирование EQE показало, что в 16 различных позициях интегральные плотности тока верхних и нижних субъячеек составили в среднем 16,3 и 16,2 мА см⁻² соответственно — что тесно согласуется с результатами J-V и оба значения превышают ранее сообщавшийся узкий предел модуля в 15 мА см⁻².

Что касается надежности, в соответствии со стандартом IEC 61215:2021, инкапсулированный модуль типа III достиг времени жизни T90 (сохранение 90% начальной эффективности) 771 часа при непрерывном отслеживании MPP при 1 солнце, и сохранил 82,5% эффективности после 1000 часов. В жестком тесте на влажное тепло при 85°C/85% относительной влажности (ISOS-D-3) модуль типа III достиг среднего времени жизни T84 1000 часов, в то время как модуль типа I уже упал ниже 40% эффективности; в тесте термического циклирования от -40°C до 85°C (ISOS-T-3) модуль типа III сохранил 93% начальной эффективности после 200 циклов. Все ускоренные испытания на старение подтвердили, что выдающаяся стабильность типа III обусловлена полным устранением факторов нестабильности, вызванных PEDOT:PSS.

Благодаря рекомбинационным переходам на основе нанокристаллов In₂O₃ с инженерией поверхности и синергетической объемной/межфазной инженерии HSM, в этой работе была успешно достигнута сертифицированная эффективность 26,2% для полностью перовскитного тандемного солнечного модуля на площади апертуры 65 см², что обеспечило комплексные прорывы в размере модуля, эффективности и эксплуатационной стабильности. Работа убедительно демонстрирует потенциал коммерциализации полностью перовскитной тандемной фотоэлектрической технологии. В перспективе, увеличение площади модуля за пределы 800 см² потребует синергетической оптимизации процессов осаждения, таких как покрытие щелевой головкой, вместе с методами, такими как кристаллизация с вакуумной поддержкой, для обеспечения высококачественного и равномерного изготовления широкозонных и узкозонных субэлементов большой площади.

Эталонное и испытательное оборудование

Композитный тестер MPPT для перовскитных элементов, использующий светодиод класса A+AA+ имитатор солнца в качестве источника старения, обеспечивает мощную поддержку исследований перовскитных солнечных элементов благодаря передовым технологиям и многофункциональному дизайну. Такие приборы в основном используются для испытаний на стабильность готовых перовскитных однопереходных и тандемных элементов. Поскольку выходные характеристики перовскитных элементов легко подвержены влиянию таких факторов окружающей среды, как свет и температура, точка максимальной мощности часто колеблется. Контроллер MPPT отслеживает и фиксирует точку максимальной мощности в реальном времени, обеспечивая работу системы всегда на оптимальном уровне выходной мощности.

Ссылка: Рекомбинация, адаптированная нанокристаллами, для полностью перовскитных тандемных солнечных модулей

Мнение Ooitech

Ooitech считает: рекомбинационные переходы на основе нанокристаллов In₂O₃ с инженерией поверхности в сочетании с объемной/межфазной инженерией HSM позволили довести эффективность крупноформатных полностью перовскитных тандемных модулей до сертифицированных 26,2%, что приблизило эту технологию на решающий шаг к коммерциализации.