مقدمة

تُعتبر الوحدات الشمسية الترادفية الكاملة من البيروفسكايت منافسًا قويًا لتقنية الخلايا الكهروضوئية من الجيل التالي بفضل كفاءتها العالية وإمكاناتها المنخفضة التكلفة. ومع ذلك، فإن التسويق التجاري للمساحات الكبيرة كان مقيدًا بشدة. بينما تجاوزت الأجهزة صغيرة المساحة بالفعل كفاءة 30%، ظلت الوحدات كبيرة المساحة (≥20 سم²) عالقة لفترة طويلة حول 24.5%. الأسباب الرئيسية هي الامتصاص الطفيلي القوي في الأشعة تحت الحمراء القريبة وعدم الاستقرار الحراري للواجهة لبنية Au/PEDOT:PSS في تقاطعات إعادة التركيب النفقي التقليدية القائمة على الذهب، بالإضافة إلى تدهور نقل الشحنة في أغشية البيروفسكايت Pb-Sn كبيرة المساحة الناتج عن التبلور غير المنتظم أثناء الطلاء بالشفرة.

تطور هذه الدراسة تقاطع إعادة تجميع ثلاثي (TRJ) معالج بالمحلول مبني على بلورات نانوية من أكسيد الإنديوم (In₂O₃) مهندسة السطح. من خلال ضبط مورفولوجيا البلورات النانوية وكيمياء السطح، حقق الفريق شفافية بصرية عالية، وواجهات ناعمة، ومحاذاة مثالية لمستويات الطاقة. في الوقت نفسه، تم إدخال إضافات من نوع حمض الفوسفونيك في مقدمة البيروفسكايت Pb-Sn لتحسين التلامس الإلكتروني مع طبقة إعادة التجميع In₂O₃، وتعزيز استخراج الثقوب، وضبط حركية التبلور لتخفيف الإجهاد المتبقي في الأفلام ذات المساحة الكبيرة. تعزز هذه الاستراتيجية المجمعة كفاءة إعادة تجميع الشحنات عند التقاطع، واستخراج الشحنات، وتجانس الأفلام ذات المساحة الكبيرة، مما يؤدي في النهاية إلى تحقيق كفاءة معتمدة من JET بنسبة 26.2% على مساحة فتحة 65 سم² (VOC = 2.182 V، FF = 77.4%، JSC = 15.6 mA cm⁻²) - وهي علامة فارقة رئيسية على طريق توسيع نطاق الخلايا الكهروضوئية الترادفية الكلية البيروفسكايت.

تصميم ومزايا تقاطع إعادة التجميع الثلاثي الجديد

يقترح العمل بديلاً معالجًا بالمحلول: تقاطع إعادة تجميع ثلاثي جديد (النوع III) مبني من بلورات نانوية من أكسيد الإنديوم مهندسة السطح (In₂O₃ NCs). يتم مقارنته بشكل منهجي مع هيكل النوع I التقليدي Au/PEDOT:PSS وهيكل النوع II القائم على بلورات ITO النانوية التجارية.

الهيكل وخصائص الواجهة

البلورات النانوية In₂O₃ ذاتية التخليق لها حجم جسيمات أصغر بكثير من بلورات ITO النانوية التجارية، مما يشكل واجهة مدفونة أكثر نعومة ويقلل بشكل فعال من كثافة عيوب التلامس. تظهر الاختبارات الكهربائية أن هيكل النوع III يظهر سلوك تلامس أومي مثالي بدون حاجز نقل شحنة.

الاستقرار البصري والحراري

يظهر التوصيف البصري أن PEDOT:PSS في النوع I يسبب فقدان امتصاص طفيلي شديد، بينما فيلم In₂O₃ NC شفاف بصريًا بدرجة عالية. تحت الشيخوخة الحرارية المتسارعة عند 85 درجة مئوية، انخفضت كفاءة وحدة النوع I إلى أقل من نصف قيمتها الأولية خلال 50 ساعة، بينما احتفظ النوعان II و III القائمان على البلورات النانوية بحوالي 75% من الكفاءة الأولية بعد 200 ساعة. على ركيزة 10×10 سم²، أظهرت أفلام NC المطلية بالشفرة تجانسًا بصريًا أكبر بكثير من أفلام الذهب الرقيقة المودعة بالتبخير الحراري، مما يظهر بوضوح الميزة المتأصلة للبلورات النانوية المعالجة بالمحلول في التصنيع القابل للتوسع.

تحسين تصنيع أفلام البيروفسكايت ذات المساحة الكبيرة

مع حل مشكلة الفقد البصري وعدم الاستقرار في تقاطع إعادة التجميع الثلاثي، أصبح التصنيع الموحد لأفلام البيروفسكايت Pb-Sn ذات المساحة الكبيرة هو الحاجز التقني التالي. أنظمة المذيبات التقليدية DMF/DMSO لها نقاط غليان عالية وتطاير بطيء، لذا فإن حركية نواتها تتخلف أثناء الطلاء بالشفرة عالية السرعة، مما يجعل من الصعب تشكيل أفلام موحدة على ركائز كبيرة.

لحل هذه المشكلة، طور الفريق نظام مذيب ثنائي يعتمد على 2-ميثوكسي إيثانول (2-Me) ورباعي هيدروفيوران (THF). بفضل نقطة غليانه المنخفضة وضغط بخاره العالي، يصل هذا النظام بسرعة إلى حالة فرط التشبع الحرجة ويسرع بشكل ملحوظ عملية التبلور. باستخدامه، تم رفع سرعة طلاء شفرة البيروفسكايت Pb-Sn من 5 مم/ثانية في نظام DMF التقليدي إلى 30 مم/ثانية، مما يوفر شدة تلألؤ ضوئي عالية التوحيد واتساقًا ممتازًا للجهاز على ركائز بحجم 10×10 سم² وأكبر. وقد نجح هذا في التغلب على تحديات حركية التبلور للطلاء على مساحات كبيرة وحقق تحققًا أوليًا بكفاءة 17.5% على مساحة فتحة 65 سم².

هندسة الروابط السطحية ومطابقة مستويات الطاقة

بعد إزالة PEDOT:PSS، انخفضت الخسائر البصرية، لكن جهد الدائرة المفتوحة (VOC) وعامل الملء (FF) تراجعا، ويعزى ذلك إلى زيادة حواجز النقل البينية وإعادة التركيب غير الإشعاعي بين البيروفسكايت وطبقة النقاط الكمومية (NC). لمعالجة ذلك، نفذت الدراسة استراتيجية تحسين تآزرية مزدوجة:

هندسة الروابط السطحية لضبط مستويات الطاقة

من خلال تبادل الروابط، تم استخدام MMES وMMPA لتعديل سطح نقاط In₂O₃ الكمومية. أظهر مطياف الإلكترون الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية (UPS) أن نقاط In₂O₃ الكمومية المعدلة بـ MMPA تحقق انحناء نطاق بيني مناسب مع طبقة البيروفسكايت المستهدفة (انحناء تصاعدي بحوالي 50 ملي إلكترون فولت)، مما يعزز بشكل كبير استخراج الثقوب، بينما تسبب تعديل OAm أو MMES في انحناء هابط وحاجز نقل. استبعدت اختبارات التيار المحدود بالشحنة الفضائية (SCLC) أي تداخل للروابط على الحركة نفسها، مؤكدة أن تحسين الأداء ينبع أساسًا من محاذاة مستويات الطاقة المحسنة.

التطعيم الكتلي بمادة انتقائية للثقوب من حمض الفوسفونيك (HSM)

قام الفريق بتطعيم أحماض الفوسفونيك HSM مثل MeO-2PACz مباشرة في مقدمة البيروفسكايت Pb-Sn (محسنة عند 0.2 مول%) بدلاً من حصرها في تعديل الواجهة. تتجنب استراتيجية التطعيم الكتلي هذه مشكلة التغطية غير المتساوية لـ SAM على المساحات الكبيرة. أظهر UPS أنه بعد تطعيم HSM، تحول دالة الشغل للبيروفسكايت من 5.04 إلكترون فولت إلى 4.81 إلكترون فولت، وارتفعت قمة نطاق التكافؤ، وضعفت الشخصية من النوع n، مما يتوافق بشكل أفضل مع مستويات طاقة نقاط In₂O₃ الكمومية. وصلت خلية Pb-Sn أحادية الوصلة الخالية من طبقة نقل الثقوب (HTL) إلى كفاءة 23%، بينما حقق جهاز مطلي بالشفرة باستخدام نقاط In₂O₃-MMPA الكمومية كطبقة نقل ثقوب (HTL) كفاءة 24.0% في المسح العكسي مع تيار دائرة قصر (JSC) يصل إلى 33.8 مللي أمبير/سم².

الأدوار المتعددة لـ HSM على طبقة البيروفسكايت

دور HSM يتجاوز بكثير نقل الشحنة - فهو يؤثر بعمق على تبلور الطبقة وتخميد العيوب:

التحكم في التبلور وقمع العيوب

أظهر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أنه بعد إشابة HSM، اختفت الشوائب الشجرية التي كانت تقطع حدود الحبيبات في فيلم Pb-Sn، ونما حجم الحبيبات بشكل ملحوظ، واكتسبت حدود الحبيبات مظهرًا "منصهرًا". أكدت GIWAXS وXRD أن HSM قمعت بشكل فعال تكوين طور الشوائب PbI₂. كشف الرنين النووي المغناطيسي ¹H في الحالة السائلة أيضًا أن HSM، من خلال نزع البروتون التفضيلي، تستهلك مجموعات الفوسفونيك الحمضية الحرة، وبالتالي تمنع نزع البروتون الحمضي لكاتيونات FA⁺ وتثبت كيمياء السلائف.

تحسين ديناميكيات الناقلات

أظهر مطيافية الامتصاص العابر (TAS) أن إعادة التركيب غير الإشعاعي بمساعدة العيوب قد تم قمعها بشكل ملحوظ بعد إشابة HSM. ارتفعت شدة التألق الضوئي (PL) في الحالة المستقرة بشكل حاد، وامتد متوسط عمر PL من 1042 نانوثانية إلى 1889 نانوثانية، مع تخميل قوي بشكل خاص عند الواجهة السفلية، مما يقلل بشكل فعال من حصر الشحنة عند الواجهة المدفونة. أظهر مطيافية OPTP أن حركية الناقلات في الفيلم المستهدف ارتفعت من 20 سم² فولت⁻¹ ثانية⁻¹ إلى 36 سم² فولت⁻¹ ثانية⁻¹ وطول الانتشار نما من 2.65 ميكرومتر إلى 4.78 ميكرومتر، مما يؤكد تحسنًا شاملًا في جودة الفيلم الكتلي.

أداء واستقرار الوحدة ذات المساحة الكبيرة

بناءً على هذه الاستراتيجيات التآزرية، قام الفريق بتصنيع وحدة ترادفية من البيروفسكايت بالكامل بمساحة فتحة 65 سم² (14 خلية فرعية متصلة على التوالي). وصلت الوحدة الرائدة باستخدام TRJ من النوع III (In₂O₃-MMPA) إلى كفاءة مختبرية 26.6% (مسح عكسي)، مع VOC 30.4 فولت، JSC 1.12 مللي أمبير سم⁻²، وFF 78.2%. وصلت كفاءتها المستقرة المعتمدة من JET إلى 26.2%، متجاوزة بوضوح وحدة التحكم باستخدام TRJ التقليدي من النوع I (24.8%). بعد تحسين المنطقة الميتة، وصل عامل التعبئة الهندسي إلى 96.5%، مما يعطي كفاءة مساحة نشطة مكافئة تصل إلى 27.6%. أظهرت الخرائط المكانية لـ EQE أنه عبر 16 موضعًا مختلفًا، بلغ متوسط كثافات التيار المدمجة للخلايا الفرعية العلوية والسفلية 16.3 و16.2 مللي أمبير سم⁻² على التوالي - متطابقة بشكل وثيق مع نتائج J-V وكلاهما يكسر عنق الزجاجة السابق للوحدة الذي يقل عن 15 مللي أمبير سم⁻².

من حيث الموثوقية، وفقًا لمعيار IEC 61215:2021، وصلت الوحدة المغلفة من النوع الثالث إلى عمر T90 (الاحتفاظ بنسبة 90% من الكفاءة الأولية) قدره 771 ساعة تحت تتبع نقطة الطاقة القصوى المستمر بقوة شمس واحدة، وما زالت تحتفظ بكفاءة 82.5% بعد 1000 ساعة. في اختبار الحرارة الرطبة القاسي عند 85 درجة مئوية / 85% رطوبة نسبية (ISOS-D-3)، وصلت الوحدة من النوع الثالث إلى متوسط عمر T84 قدره 1000 ساعة، بينما انخفضت كفاءة الوحدة من النوع الأول إلى أقل من 40%؛ وفي اختبار التدوير الحراري من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية (ISOS-T-3)، احتفظت الوحدة من النوع الثالث بنسبة 93% من كفاءتها الأولية بعد 200 دورة. أكدت جميع تجارب الشيخوخة المتسارعة أن الاستقرار الممتاز للنوع الثالث ينبع من القضاء التام على عوامل عدم الاستقرار الناتجة عن PEDOT:PSS.

من خلال وصلات إعادة التركيب البلورية النانوية من In₂O₃ المهندسة سطحيًا والهندسة التآزرية للكتلة/السطح البيني لـ HSM، نجح هذا العمل في تحقيق وحدة شمسية ترادفية من البيروفسكايت بالكامل بكفاءة معتمدة 26.2% على مساحة فتحة 65 سم²، مما يحقق اختراقات شاملة في حجم الوحدة وكفاءتها واستقرارها التشغيلي. يوضح العمل بقوة إمكانات التسويق لتقنية الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت بالكامل. بالنظر إلى المستقبل، فإن دفع مساحة الوحدة إلى ما بعد 800 سم² سيتطلب تحسينًا تآزريًا لعمليات الترسيب مثل طلاء القالب المشقوق مع طرق مثل التبلور بمساعدة الفراغ، لضمان تصنيع عالي الجودة وموحد للخلايا الفرعية واسعة النطاق وضيقة النطاق.

المرجع ومعدات الاختبار

يوفر جهاز اختبار MPPT مركب للبيروفسكايت يستخدم محاكي شمسي LED من الدرجة A+AA+ كمصدر للشيخوخة دعمًا قويًا لأبحاث خلايا البيروفسكايت الشمسية من خلال التكنولوجيا المتقدمة والتصميم متعدد الوظائف. تُستخدم هذه الأجهزة بشكل أساسي لاختبار الاستقرار للخلايا الشمسية المفردة والترادفية الجاهزة من البيروفسكايت. نظرًا لأن خصائص الخرج لخلايا البيروفسكايت تتأثر بسهولة بالعوامل البيئية مثل الضوء ودرجة الحرارة، فإن نقطة الطاقة القصوى تتقلب بشكل متكرر. يتتبع جهاز التحكم MPPT نقطة الطاقة القصوى ويقفلها في الوقت الفعلي، مما يضمن أن النظام يعمل دائمًا بأقصى خرج طاقة.

المرجع: إعادة التركيب المصممة بالبلورات النانوية للوحدات الشمسية الترادفية من البيروفسكايت بالكامل

رؤية Ooitech

تعتقد Ooitech: وصلات إعادة التركيب البلورية النانوية من In₂O₃ المهندسة سطحيًا مع هندسة الكتلة/السطح البيني لـ HSM دفعت الوحدات الترادفية كبيرة المساحة من البيروفسكايت بالكامل إلى كفاءة معتمدة 26.2%، مما يجعل هذه التكنولوجيا أقرب خطوة حاسمة إلى التسويق.