Эффективность 33,25%, сохранение MPPT 96% после 1000 часов:
Содержание
Краткий ответ: Перовскитно-кремниевая тандемная ячейка достигла эффективности 33,25%, сохранив 96% своей максимальной мощности после 1000 часов испытаний. Именно в этом и суть: рекорды эффективности тандемных элементов больше не являются ограничением — стабильность важнее. В ячейке перовскитный верхний переход накладывается на кремниевый нижний переход, так что каждый поглощает ту часть спектра, которую лучше всего преобразует, что и позволяет поднять эффективность значительно выше примерно 27%-ного потолка однопереходной кремниевой ячейки. Результат по стабильности включал воздействие влажного тепла при 85 °C, а измерения проводились в спектральных диапазонах около 400 нм, 750 нм и 1150 нм. Для производства модулей тандемные ячейки требуют более узких окон ламинирования, чем только кремний, поскольку перовскитный слой более чувствителен к влаге и температуре, чем кремний под ним.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Введение в продукт
Тандемные элементы перовскит/кремний уже достигли эффективности 35%. Проблема в стабильности. Эти устройства все еще далеки от 25-летнего срока службы, необходимого для коммерциализации, и корень проблемы лежит в интерфейсах. Там накапливается заряд, и это накопление вызывает окислительно-восстановительные реакции и миграцию ионов.
Широко используемый электронно-транспортный слой ALD-SnOx сталкивается с компромиссом по толщине из-за высокого удельного сопротивления. Слишком толстый — и последовательное сопротивление растёт. Слишком тонкий — и он не может блокировать повреждения от распыления или диффузию ионов. Для изучения этого тестер перовскитных композитных модулей MPPT, использующий светодиод класса AAA имитатор солнца в качестве источника света для старения, может контролировать температуру ячейки несколькими способами и управлять окружающей средой, проводя долгосрочные испытания на стабильность.
Эта работа создает двухслойный SnOx/AZO с помощью полностью ALD-процесса. Ультратонкий SnOx сохраняет выравнивание зон, а проводящий слой AZO обеспечивает путь с низким сопротивлением и действует как плотный барьер. Это разделяет извлечение заряда и физическую блокировку на две отдельные задачи. Одиночные перовскитные элементы с широкой запрещенной зоной с этой структурой достигли эффективности 23,47%, а тандемные устройства — 33,25%. После 1000 часов непрерывного освещения они сохранили 96% своей начальной эффективности, что подтверждает стратегию интерфейса.
Технические параметры
Характеристики перовскитного композитного тестера MPPT
| Параметр | Характеристика |
|---|---|
| Класс источника света | A+AA+ (3A+) светодиодный солнечный симулятор |
| Срок службы источника света | 10 000 ч+ |
| Спектральный выход (регулируемый) | 350-400 нм / 400-750 нм / 750-1150 нм, независимое управление |
| Экологическая камера | Опционально постоянная температура и влажность, соответствует стандарту ISOS |
| Электронная нагрузка | Несколько моделей, многоканальная независимая работа |
| Применение | Тестирование стабильности перовскитных одиночных и тандемных элементов |
Технические преимущества
Изготовление двухслойных пленок ALD и электрические характеристики
Испытания однопереходных элементов показали, что SnOx работает лучше всего при 150 циклах. Увеличение толщины повышало последовательное сопротивление и снижало коэффициент заполнения. Чтобы ослабить ограничение по удельному сопротивлению, авторы добавили межуровневый слой AZO, выращенный методом ALD. Сравнивались две структуры: SnOx (250 циклов) и SnOx (100 циклов) плюс AZO (400 циклов).
Измерения J-V показали, что комбинация SnOx/AZO улучшила характеристики устройства. Анализ энергетических уровней показал, что минимум зоны проводимости ступенчато снижается от SnOx к AZO и IZO, образуя более благоприятную ступенчатую структуру зон, которая снижает барьер экстракции на границе раздела. c-AFM показал, что SnOx/AZO и чистый AZO проводят ток значительно лучше, чем чистый SnOx. KPFM показал более однородный поверхностный потенциал и меньшую плотность дефектов на пленке перовскита SnOx/AZO. Спектроскопия переходного поглощения подтвердила более быструю экстракцию носителей с SnOx/AZO.
Слой ALD подавляет деградацию
После 400 часов старения при 85°C под освещением образцы SnOx показали более сильное поглощение иодида свинца в УФ-видимой области, дифракционные пики металлического Pb⁰ в XRD, а также межфазные пустоты и потерю объема в поперечном сечении SEM. В образцах SnOx/AZO эти признаки деградации были значительно слабее. TOF-SIMS показал сильное проникновение Ag в слой перовскита и интенсивную диффузию I⁻ в устройствах SnOx, тогда как в устройствах SnOx/AZO заметной диффузии ионов не наблюдалось.
Через 7 дней при 85% относительной влажности пленка с покрытием SnOx приобрела желтую δ-фазу, но SnOx/AZO остался черным. Измерения PLQY показали меньшие потери на безызлучательную рекомбинацию и более высокое сохранение PLQY после старения для SnOx/AZO. KPFM показал значительное увеличение плотности поверхностных дефектов для состаренного образца SnOx, тогда как SnOx/AZO почти не изменился.
Применение продукта
Характеристики и стабильность однопереходных элементов
В однопереходных устройствах со структурой ITO / NiOx / Me-4PACz / перовскит / C60 / слой ALD / Ag лучший элемент SnOx/AZO достиг эффективности 23.47%, VOC 1.27 В, FF 83.92%, JSC 22.07 мА/см², при этом гистерезис был заметно снижен. Интегральная плотность тока по EQE составила 21.62 мА/см², что выше, чем 20.92 мА/см² у устройства SnOx. Стабилизированная выходная мощность составила 23.12%. Энергия Урбаха составила 13.11 мэВ, что ниже, чем 16.38 мэВ у устройства SnOx.
Что касается стабильности, после 1100 часов темнового старения при 85°C SnOx/AZO сохранил более 90% начальной эффективности, тогда как SnOx снизился до 85% к 600 часам. При 85°C с освещением SnOx/AZO сохранял более 80% после 300 часов, тогда как SnOx упал ниже 60% после 200 часов. В тесте MPPT SnOx/AZO сохранил 96% после 2000 часов, тогда как SnOx упал до 80% после 700 часов.
Характеристики и стабильность тандемных элементов
Двухслойная структура ALD была интегрирована в перовскитный/TOPCon кремниевый тандемный прибор. HAADF-STEM показал непрерывный, плотный двухслойный слой с SnOx около 10 нм и AZO около 60 нм, без пор и расслоений. HR-TEM подтвердил, что SnOx аморфен, а EDS показал равномерное распределение Zn в AZO.
Лучшее тандемное устройство достигло эффективности 33,25%, VOC 1,98 В, JSC 20,83 мА/см², FF 80,71%, практически без гистерезиса. EQE показал фототоки верхней и нижней ячеек 20,43 и 20,40 мА/см², что является хорошим согласованием. Стабилизированная выходная мощность составила 32,38%.
После 1000 часов термического старения при 85°C SnOx/AZO сохранил более 90% эффективности, в то время как SnOx упал ниже 90% в течение 400 часов. При испытаниях на влажное тепло (двойные 85) SnOx/AZO оставался выше 92% после 400 часов, в то время как SnOx упал ниже 80% в течение 200 часов. После 1000 часов непрерывного освещения SnOx/AZO сохранил более 96%, в то время как SnOx упал ниже 80% в течение 300 часов.
Резюме механизма
Преимущество двухслойного покрытия SnOx/AZO сводится к двум вещам. Проводящий верхний слой AZO ускоряет извлечение электронов и снижает накопление заряда на границе раздела, что подавляет деградацию границы раздела, вызванную реакцией. В то же время плотный двухслойный слой действует как эффективный барьер для ионов и влаги, сдерживая коррозию серебра, вызванную йодидом, и миграцию Ag⁺ в перовскит. Более быстрое извлечение электронов в сочетании с физическим блокированием ионов дает механизм «функциональной развязки», поэтому два эффекта совместно повышают долговечность устройства.
В этом исследовании используется полностью ALD двухслойное покрытие SnOx/AZO для подавления деградации, вызванной реакцией на границе раздела, в тандемных ячейках перовскит/кремний. Двухслойное покрытие сочетает хорошее выравнивание зон SnOx с высокой проводимостью и плотной барьерной функцией AZO, уменьшая накопление заряда и сдерживая диффузию ионов и проникновение влаги. Однопереходные устройства достигли эффективности 23,47%, тандемные устройства — 33,25%, и оба сохранили более 96% начальной эффективности после 1000 часов MPPT. Это показывает, насколько важна инженерия границ раздела для создания высокоэффективных и стабильных тандемных фотоэлектрических устройств перовскит/кремний, и указывает на реальный путь к ячейкам, которые являются одновременно эффективными и долговечными.
Композитный MPPT-тестер для перовскита, построенный на основе A+AA+ светодиодного солнечного симулятора в качестве источника света для старения, обеспечивает надежную поддержку исследований перовскитных солнечных элементов. Поскольку перовскитные элементы очень чувствительны к свету и температуре, их точка максимальной мощности постоянно смещается. MPPT-контроллер отслеживает и фиксирует эту точку в реальном времени, поэтому система всегда работает с максимальной мощностью. Это максимизирует выход энергии и повышает стабильность и экономичность всей фотоэлектрической системы.
Ссылка: Подавление межфазных реакций в тандемных солнечных элементах перовскит/кремний с помощью полностью ALD-двухслойного покрытия SnOx/AZO
Мнение Ooitech
Что здесь выделяется, так это идея «функциональной развязки», позволяющая одному тонкому слою отвечать за выравнивание зон, а другому — за блокировку, вместо того чтобы заставлять одну пленку SnOx выполнять обе задачи и терять на одной из них. С производственной стороны, однородность ALD-стека на полноразмерном модуле — это именно то, где важны контроль линии и метрология, и это та деталь процесса, над которой мы зацикливаемся при создании линий по производству модулей. Если вы хотите увидеть больше о том, как производство перовскитных и тандемных модулей на самом деле собирается на заводском полу, канал Ooitech на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоит подписаться.
