اختراق كفاءة معتمد بنسبة 26.2% في الوحدات الترادفية الكبيرة المساحة كاملة البيروفسكايت: وصلة إعادة اتحاد نفقية من بلورات In₂O₃ النانوية
جدول المحتويات
مقدمة
تُعتبر الوحدات الشمسية الترادفية كاملة البيروفسكايت مرشحًا قويًا لتقنية الخلايا الكهروضوئية من الجيل التالي بفضل كفاءتها العالية وإمكاناتها منخفضة التكلفة. ومع ذلك، فإن التسويق على نطاق واسع قد تعرقل بشكل كبير. 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 للواجهات في بنية Au/PEDOT:PSS في وصلات إعادة الاتحاد النفقية 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 وصلة إعادة اتحاد نفقية معالجة بالمحلول مبنية على بلورات In₂O₃ النانوية المهندسة سطحيًا. من خلال ضبط شكل البلورات النانوية وكيمياء سطحها، 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 الاتصال الإلكتروني مع طبقة إعادة الاتحاد In₂O₃، وتعزيز استخراج الثقوب، وضبط حركية التبلور لتخفيف الإجهاد المتبقي في الأغشية كبيرة المساحة. تعزز هذه الاستراتيجية المجمعة في وقت واحد كفاءة إعادة اتحاد حاملات الشحنة عند الوصلة، واستخراج الشحنة، وتجانس الأغشية كبيرة المساحة، مما يؤدي في النهاية إلى كفاءة معتمدة من JET تبلغ 26.2% على مساحة فتحة 65 سم² (VOC = 2.182 فولت، FF = 77.4%، JSC = 15.6 مللي أمبير/سم²) — علامة فارقة رئيسية على طريق توسيع نطاق الخلايا الكهروضوئية الترادفية كاملة البيروفسكايت.
تصميم ومزايا وصلة إعادة الاتحاد النفقية الجديدة
يقترح العمل بديلاً معالجًا بالمحلول: وصلة إعادة اتحاد نفقية جديدة (النوع الثالث) مبنية من بلورات أكسيد الإنديوم النانوية المهندسة سطحيًا (In₂O₃ NCs). تتم مقارنتها بشكل منهجي مع البنية التقليدية من النوع الأول Au/PEDOT:PSS وبنية من النوع الثاني تعتمد على بلورات ITO النانوية التجارية.
خصائص البنية والواجهة
تمتلك الجسيمات النانوية In₂O₃ المُصنّعة ذاتيًا حجم جسيمات أصغر بكثير من جسيمات ITO النانوية التجارية، مما يشكل واجهة مدفونة أكثر نعومة ويخفض كثافة العيوب التلامسية بشكل فعال. تُظهر الاختبارات الكهربائية أن البنية من النوع الثالث تُظهر سلوك تلامس أومي مثالي دون حاجز لنقل الشحنة.
الاستقرار البصري والحراري
يُظهر التوصيف البصري أن PEDOT:PSS في النوع الأول يسبب خسارة امتصاص طفيلية شديدة، بينما يكون فيلم In₂O₃ النانوي شفافًا بصريًا بدرجة عالية. تحت التسارع الحراري عند 85 درجة مئوية، انخفضت كفاءة الوحدة من النوع الأول إلى أقل من نصف قيمتها الأولية خلال 50 ساعة، بينما احتفظت الأنواع القائمة على الجسيمات النانوية (النوع الثاني والثالث) بحوالي 75% من الكفاءة الأولية بعد 200 ساعة. على ركيزة بمساحة 10×10 سم²، أظهرت أفلام الجسيمات النانوية المطلية بالشفرة توزيعًا بصريًا أكثر تجانسًا بكثير من أفلام الذهب الرقيقة المترسبة حراريًا، مما يُظهر بوضوح الميزة المتأصلة للجسيمات النانوية المعالجة بالمحلول في التصنيع القابل للتوسع.
تحسين تصنيع أفلام البيروفسكايت واسعة المساحة
مع حل الخسارة البصرية وعدم الاستقرار في الوصلة الثلاثية، أصبح التصنيع الموحد لأفلام البيروفسكايت الرصاص-قصدير واسعة المساحة هو الحاجز التقني التالي. أنظمة المذيبات التقليدية DMF/DMSO لها نقاط غليان عالية وتطاير بطيء، لذا فإن حركية التبلور فيها تتأخر أثناء الطلاء بالشفرة عالي السرعة، مما يجعل من الصعب تشكيل أفلام موحدة على ركائز كبيرة.
لحل هذه المشكلة، طور الفريق نظام مذيبات 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 التبلور بشكل ملحوظ. باستخدامه، تم رفع سرعة طلاء البيروفسكايت الرصاص-قصدير بالشفرة من 5 مم/ثانية في نظام DMF التقليدي إلى 30 مم/ثانية، مما يوفر شدة توهج ضوئي (PL) موحدة للغاية واتساقًا ممتازًا للأجهزة على ركائز 10×10 سم² وأكبر. نجح هذا في حل تحدي حركية التبلور للطلاء واسع المساحة 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 انخفض جهد الدائرة المفتوحة (VOC) وعامل التعبئة (FF)، ويُعزى ذلك إلى زيادة حواجز النقل البينية وإعادة التركيب غير الإشعاعية بين البيروفسكايت وطبقة الجسيمات النانوية. لمعالجة ذلك، نفذت الدراسة استراتيجية تحسين تآزرية مزدوجة:
هندسة الروابط السطحية لضبط مستويات الطاقة
من خلال تبادل الروابط، تم استخدام MMES وMMPA لتعديل سطح الجسيمات النانوية In₂O₃. أظهرت مطيافية الإلكترون الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية (UPS) أن الجسيمات النانوية In₂O₃ المعدلة بـMMPA تحقق انحناءًا مناسبًا لنطاق الواجهة مع طبقة البيروفسكايت المستهدفة (انحناء تصاعدي بحوالي 50 ميلي 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، مما يؤكد أن مكسب الأداء ينبع أساسًا من تحسين محاذاة مستويات الطاقة.
التطعيم الكتلي بمادة انتقائية للثقوب تعتمد على حمض الفوسفونيك (HSM)
قام الفريق بتطعيم مواد HSM القائمة على حمض الفوسفونيك مثل MeO-2PACz مباشرة في مقدمة البيروفسكايت Pb-Sn (بتركيز أمثل 0.2 مول٪) بدلاً من قصرها على تعديل الواجهة. تتجنب استراتيجية التطعيم الكتلي هذه مشكلة التغطية غير المتساوية لطبقة SAM على المساحات الكبيرة. أظهرت UPS أنه بعد تطعيم HSM، تحول دالة الشغل للبيروفسكايت من 5.04 إلكترون فولت إلى 4.81 إلكترون فولت، وارتفعت قمة نطاق التكافؤ، وضعفت الطبيعة من النوع n، مما يتوافق بشكل أفضل مع مستويات الطاقة للجسيمات النانوية In₂O₃. وصلت خلية Pb-Sn أحادية الوصلة الخالية من طبقة نقل الثقوب الناتجة إلى كفاءة 23٪، بينما حقق جهاز مطلي بالشفرة باستخدام جسيمات In₂O₃-MMPA النانوية كطبقة نقل الثقوب (HTL) كفاءة 24.0٪ بمسح عكسي مع تيار دائرة قصيرة يصل إلى 33.8 مللي أمبير/سم².
الأدوار المتعددة لـHSM على طبقة البيروفسكايت
دور HSM يتجاوز بكثير نقل الشحنة — فهو يؤثر بعمق على تبلور الفيلم وتخميل العيوب:
التحكم في التبلور وقمع العيوب
أظهر الفحص المجهري الإلكتروني الماسح (SEM) أنه بعد تطعيم HSM، اختفت الشوائب الشجرية التي كانت تعبر حدود الحبيبات في فيلم Pb-Sn، ونما حجم الحبيبات بشكل ملحوظ، واتخذت حدود الحبيبات مظهرًا "مندمجًا". أكدت GIWAXS وXRD أن HSM يثبط بشكل فعال تكوين الطور الشائب PbI₂. كشف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون في الحالة السائلة (¹H NMR) أيضًا أن HSM، من خلال نزع البروتون الانتقائي، يستهلك مجموعات حمض الفوسفونيك الحرة الحمضية، مما يمنع نزع البروتون الحمضي لكاتيونات FA⁺ ويستقر كيمياء المقدمة.
تحسين ديناميكيات الناقلات
أظهرت مطيافية الامتصاص العابر (TAS) أن إعادة التركيب غير الإشعاعية بمساعدة العيوب قد تم كبتها بشكل ملحوظ بعد doping بـ HSM. ارتفعت شدة التألق الضوئي في الحالة المستقرة بشكل حاد، وامتد متوسط عمر التألق من 1042 نانوثانية إلى 1889 نانوثانية، مع تخميل قوي بشكل خاص عند الواجهة السفلية، مما يقلل بشكل فعال من حبس الشحنات عند الواجهة المدفونة. أظهرت مطيافية OPTP أن حركة الناقلات في الفيلم المستهدف ارتفعت من 20 سم² ف⁻¹ ث⁻¹ إلى 36 سم² ف⁻¹ ث⁻¹، ونما طول الانتشار من 2.65 ميكرومتر إلى 4.78 ميكرومتر، مما يؤكد تحسينًا شاملًا في جودة الفيلم الكتلي.
أداء واستقرار الوحدة النمطية كبيرة المساحة
بناءً على هذه الاستراتيجيات التآزرية، قام الفريق بتصنيع وحدة ترادفية من البيروفسكايت الكامل بمساحة فتحة 65 سم² (14 خلية فرعية متصلة على التوالي). الوحدة المثالية باستخدام TRJ من النوع الثالث (In₂O₃-MMPA) وصلت إلى كفاءة مختبرية 26.6% (مسح عكسي)، مع VOC يبلغ 30.4 فولت، وJSC يبلغ 1.12 مللي أمبير سم⁻²، وFF يبلغ 78.2%. كفاءتها المستقرة المعتمدة من JET وصلت إلى 26.2%، متفوقة بوضوح على الوحدة الضابطة باستخدام TRJ التقليدي من النوع الأول (24.8%). بعد تحسين المنطقة الميتة، وصل عامل التعبئة الهندسي إلى 96.5%، مما يعطي كفاءة مكافئة للمساحة النشطة تصل إلى 27.6%. أظهر التخطيط المكاني لـ EQE أنه عبر 16 موضعًا مختلفًا، بلغ متوسط التيارات المدمجة للخلايا الفرعية العلوية والسفلية 16.3 و16.2 مللي أمبير سم⁻² على التوالي — مطابقة عن قرب لنتائج J-V وكلاهما يكسر عنق الزجاجة السابق للوحدة الذي كان أقل من 15 مللي أمبير سم⁻².
فيما يتعلق بالموثوقية، وفقًا لمعيار IEC 61215:2021، وصلت الوحدة المغلفة من النوع الثالث إلى عمر T90 (الاحتفاظ بـ 90% من الكفاءة الأولية) يبلغ 771 ساعة تحت تتبع MPP مستمر بإضاءة شمسية واحدة، وما زالت تحتفظ بكفاءة 82.5% بعد 1000 ساعة. في اختبار الحرارة الرطبة القاسي 85°C/85% RH (ISOS-D-3)، وصلت الوحدة من النوع الثالث إلى متوسط عمر T84 يبلغ 1000 ساعة، بينما انخفضت الوحدة من النوع الأول إلى أقل من 40% من الكفاءة؛ في اختبار التدوير الحراري من -40°C إلى 85°C (ISOS-T-3)، احتفظت الوحدة من النوع الثالث بـ 93% من الكفاءة الأولية بعد 200 دورة. أكدت جميع تجارب الشيخوخة المتسارعة أن الاستقرار الممتاز للنوع الثالث ينبع من القضاء التام على عوامل عدم الاستقرار الناجمة عن PEDOT:PSS.
من خلال وصلات إعادة التركيب البلورية النانوية In₂O₃ المهندسة سطحيًا والهندسة التآزرية للكتلة/الواجهة HSM، حقق هذا العمل بنجاح كفاءة معتمدة بنسبة 26.2% لوحدة شمسية ترادفية من البيروفسكايت بالكامل على مساحة فتحة 65 سم²، مما يوفر اختراقات شاملة في حجم الوحدة والكفاءة والاستقرار التشغيلي. يوضح العمل بقوة إمكانات التسويق لتقنية الخلايا الكهروضوئية الترادفية من البيروفسكايت بالكامل. بالنظر إلى المستقبل، فإن دفع مساحة الوحدة إلى ما بعد 800 سم² سيتطلب تحسينًا تآزريًا لعمليات الترسيب مثل طلاء الشقوق جنبًا إلى جنب مع طرق مثل التبلور بمساعدة الفراغ، لضمان تصنيع عالي الجودة وموحد للخلايا الفرعية واسعة وضيقة النطاق.
معدات الاختبار والمرجعية
يوفر جهاز اختبار MPPT المركب للبيروفسكايت باستخدام محاكي شمسي LED بدرجة A+AA+ كمصدر للتقادم دعمًا قويًا لأبحاث خلايا البيروفسكايت الشمسية من خلال التكنولوجيا المتقدمة والتصميم متعدد الوظائف. تُستخدم هذه الأدوات بشكل أساسي لاختبار الاستقرار للخلايا الترادفية والأحادية الوصلة من البيروفسكايت الجاهزة. نظرًا لأن خصائص الإخراج 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 عند خرج الطاقة الأمثل.
المرجع: إعادة التركيب المصممة بالبلورات النانوية للوحدات الشمسية الترادفية من البيروفسكايت بالكامل
رؤية Ooitech
تعتقد Ooitech أن: وصلات إعادة التركيب البلورية النانوية In₂O₃ المهندسة سطحيًا مع هندسة الكتلة/الواجهة HSM دفعت الوحدات الترادفية من البيروفسكايت بالكامل إلى كفاءة معتمدة بنسبة 26.2%، مما يقرب هذه التقنية خطوة حاسمة من التسويق.
