33,25% эффективности, 96% сохранения MPPT после 1000 часов: полностью ALD SnOx/AZO двухслойная структура подавляет интерфейсные реакции в перовскит/кремниевых тандемах
Описание продукта
Перовскит/кремниевые тандемные элементы уже достигли эффективности 35%. Проблема в стабильности. Эти устройства все еще далеки от 25-летнего срока службы, необходимого для коммерциализации, и коренная причина кроется на интерфейсах. Там накапливается заряд, и это накопление запускает окислительно-восстановительные реакции и миграцию ионов.
Широко используемый слой транспорта электронов ALD-SnOx сталкивается с компромиссом по толщине из-за высокого удельного сопротивления. Слишком толстый — возрастает последовательное сопротивление. Слишком тонкий — не может блокировать повреждения от распыления или диффузию ионов. Для изучения этого используется тестер MPPT перовскитных композитов с использованием AAA-класса LED солнечного симулятора в качестве источника света для старения, который может контролировать температуру элемента несколькими способами и управлять окружающей средой, проводя долгосрочные тесты стабильности.
В этой работе создается двухслойная структура 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. Однопереходные перовскитные элементы с широкой запрещенной зоной с такой структурой достигли эффективности 23,47%, а тандемные устройства — 33,25%. После 1000 часов непрерывного освещения они сохранили 96% начальной эффективности, что подтверждает стратегию интерфейса.
Технические параметры
Характеристики тестера MPPT перовскитных композитов
| Параметр | Спецификация |
|---|---|
| Класс источника света | A+AA+ (3A+) LED солнечный симулятор |
| Срок службы источника света | 10 000 ч+ |
| Спектральный выход (регулируемый) | 350-400 нм / 400-750 нм / 750-1150 нм, независимое управление |
| Климатическая камера | Опциональная постоянная температура и влажность, соответствует стандарту ISOS |
| Электронная нагрузка | Несколько моделей, многоканальная независимая работа |
| Применение | Тестирование стабильности перовскитных однопереходных и тандемных элементов |
Технические преимущества
Изготовление двухслойных структур методом ALD и электрические характеристики
Тесты однопереходных элементов показали, что SnOx работает лучше всего при 150 циклах. Увеличение толщины повышало последовательное сопротивление и снижало фактор заполнения. Чтобы уменьшить ограничение по удельному сопротивлению, авторы добавили промежуточный слой AZO, выращенный методом ALD. Сравнивались две структуры: 250 циклов SnOx против 100 циклов SnOx плюс 400 циклов AZO.
Измерения J-V показали, что комбинация SnOx/AZO улучшила характеристики устройства. Анализ энергетических уровней показал, что дно зоны проводимости ступенчато снижается от SnOx к AZO и IZO, формируя более благоприятное лестничное выравнивание зон, которое снижает барьер экстракции на границе раздела. c-AFM показал, что SnOx/AZO и чистый AZO проводят гораздо лучше, чем чистый SnOx. KPFM показал более однородный поверхностный потенциал и меньшую плотность дефектов на пленке перовскита с 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 с SnOx показали более сильное поглощение йодида свинца в УФ-видимой области, дифракционные пики металлического Pb⁰ на XRD, а также межфазные пустоты и потери объема на поперечном SEM. В образцах с SnOx/AZO эти признаки деградации были гораздо слабее. TOF-SIMS показал сильное проникновение Ag в слой перовскита и интенсивную диффузию I⁻ в устройствах с SnOx, тогда как в устройствах с SnOx/AZO не наблюдалось заметной диффузии ионов.
Через 7 дней при 85% относительной влажности пленка, покрытая 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
Производительность и стабильность однопереходных элементов
В однопереходных устройствах со структурой ITO / NiOx / Me-4PACz / перовскит / C60 / слой ALD / Ag рекордный элемент с SnOx/AZO достиг КПД 23.47%, VOC 1.27 В, FF 83.92%, JSC 22.07 мА/см², при этом гистерезис был明显 снижен. Интегральная плотность тока по EQE составила 21.62 мА/см², что выше, чем 20.92 мА/см² у устройства с SnOx. Стабилизированная выходная мощность составила 23.12%. Энергия Урбаха составила 13.11 мэВ, что ниже, чем 16.38 мэВ у устройства с SnOx.
По стабильности: после 1100 часов темнового старения при 85°C SnOx/AZO сохранил более 90% начальной эффективности, в то время как SnOx снизился до 85% за 600 часов. При 85°C с освещением SnOx/AZO сохранил более 80% после 300 часов, а SnOx упал ниже 60% после 200 часов. В тесте MPPT SnOx/AZO сохранил 96% после 2000 часов, а SnOx упал до 80% после 700 часов.
Производительность и стабильность тандемного элемента
Бислой ALD был интегрирован в тандемное устройство перовскит/TOPCon кремний. HAADF-STEM показал непрерывный плотный бислой с SnOx около 10 нм и AZO около 60 нм, без пор или 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%, почти без гистерезиса. EQE показал фототоки верхнего и нижнего элементов 20.43 и 20.40 мА/см², хорошее соответствие. 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% за 400 часов. В тесте на влажное тепло (двойной 85) SnOx/AZO оставался выше 92% после 400 часов, а SnOx упал ниже 80% за 200 часов. После 1000 часов непрерывного освещения SnOx/AZO сохранил более 96%, а SnOx упал ниже 80% за 300 часов.
Краткое описание механизма
Преимущество бислоя SnOx/AZO сводится к двум вещам. Проводящий слой AZO ускоряет извлечение электронов и снижает накопление заряда на границе раздела, что подавляет вызванную реакцией деградацию границы. В то же время плотный бислой 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», так что два эффекта вместе усиливают долговечность устройства.
В этом исследовании используется полностью ALD бислой SnOx/AZO для подавления деградации, вызванной реакциями на границе раздела, в тандемных элементах перовскит/кремний. Бислой 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 — 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 фотоэлементов перовскит/кремний, и указывает на реальный путь к созданию элементов, которые одновременно эффективны и долговечны.
Перовскитный композитный MPPT-тестер, построенный на основе A+AA+ светодиодного солнечного симулятора в качестве источника старения, обеспечивает мощную 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 улучшает стабильность и экономичность всей фотоэлектрической системы.
Ссылка: Подавление межфазных реакций в перовскитных/кремниевых тандемных солнечных элементах с помощью полностью ALD-слоя SnOx/AZO
Мнение Ooitech
Что здесь выделяется, так это идея «функционального разделения», позволяющая одному тонкому слою отвечать за выравнивание зон, а другому — за блокировку, вместо того чтобы заставлять одну пленку SnOx выполнять обе задачи и терять в одной из них. На производственной стороне однородность стека ALD по всей площади полноразмерного модуля — это именно то, где важны контроль линии и метрология, и это та деталь процесса, над которой мы задумываемся при создании линий модулей. Если вы хотите увидеть больше о том, как производство перовскитных и тандемных модулей на самом деле реализуется на заводском полу, канал Ooitech на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоит подписаться.
