كفاءة 33.25%، احتفاظ MPPT بنسبة 96% بعد 1000 ساعة: طبقة SnOx/AZO المزدوجة المودعة بالكامل بـ ALD تثبط التفاعلات السطحية في الخلايا الترادفية البيروفسكايت/سيليكون
مقدمة المنتج
وصلت الخلايا الترادفية البيروفسكايت/سيليكون بالفعل إلى كفاءة 35%. المشكلة هي الاستقرار. لا تزال هذه الأجهزة بعيدة عن العمر الافتراضي 25 عامًا الذي تتطلبه التسويقية، والسبب الجذري يكمن في الواجهات. تتراكم الشحنة هناك، ويؤدي هذا التراكم إلى تفاعلات أكسدة-اختزال وهجرة الأيونات.
تواجه طبقة نقل الإلكترونات ALD-SnOx المستخدمة على نطاق واسع مفاضلة في السمك بسبب مقاومتها العالية. سميكة جدًا، وترتفع المقاومة التسلسلية. رقيقة جدًا، ولا يمكنها حجب ضرر الرش أو انتشار الأيونات. لدراسة ذلك، يمكن لجهاز اختبار MPPT المركب للبيروفسكايت باستخدام محاكي شمسي LED من الدرجة AAA كمصدر ضوء للتقادم التحكم في درجة حرارة الخلية بعدة طرق وإدارة البيئة المحيطة، وإجراء اختبارات استقرار طويلة المدى.
يبني هذا العمل طبقة SnOx/AZO ثنائية الطبقة من خلال عملية ALD كاملة. تحافظ طبقة SnOx فائقة الرقة على محاذاة النطاق، بينما توفر طبقة AZO الموصلة مسارًا منخفض المقاومة وتعمل كحاجز كثيف. وهذا يفصل استخراج الشحنة والحجب الفيزيائي إلى وظيفتين منفصلتين. حققت خلايا البيروفسكايت أحادية الوصلة واسعة النطاق بهذا الهيكل كفاءة 23.47%، ووصلت الأجهزة الترادفية إلى 33.25%. بعد 1000 ساعة من الإضاءة المستمرة، احتفظت بنسبة 96% من كفاءتها الأولية، مما يدعم استراتيجية الواجهة.
المعايير الفنية
مواصفات جهاز اختبار MPPT المركب للبيروفسكايت
| المعلمة | المواصفة |
|---|---|
| درجة مصدر الضوء | محاكي شمسي LED A+AA+ (3A+) |
| عمر مصدر الضوء | 10,000 ساعة+ |
| الخرج الطيفي (قابل للتعديل) | 350-400nm / 400-750nm / 750-1150nm، يتم التحكم فيه بشكل مستقل |
| غرفة بيئية | درجة حرارة ورطوبة ثابتة اختيارية، تتوافق مع معيار ISOS |
| حمل إلكتروني | نماذج متعددة، تشغيل مستقل متعدد القنوات |
| التطبيق | اختبار استقرار الخلايا المفردة والخلايا الترادفية من البيروفسكايت |
المزايا التقنية
تصنيع طبقة ثنائية بواسطة ALD والأداء الكهربائي
أظهرت اختبارات الخلايا المفردة أن SnOx يعمل بشكل أفضل عند 150 دورة. زيادة السمك رفعت المقاومة التسلسلية وخفضت عامل الملء. لتخفيف حد المقاومة، أضاف المؤلفون طبقة بينية من AZO المزروعة بواسطة ALD. تمت مقارنة مجموعتين: SnOx عند 250 دورة مقابل SnOx عند 100 دورة بالإضافة إلى AZO عند 400 دورة.
أظهرت قياسات J-V أن تركيبة SnOx/AZO رفعت أداء الجهاز. وجد تحليل مستويات الطاقة أن الحد الأدنى لحزمة التوصيل ينخفض تدريجياً من SnOx إلى AZO إلى IZO، مشكلاً ترتيباً أكثر ملاءمة للسلالم الذي يقلل حاجز الاستخراج عند الواجهة. أظهر c-AFM أن SnOx/AZO و AZO النقي يوصلان بشكل أفضل بكثير من SnOx النقي. أظهر KPFM جهد سطح أكثر انتظاماً وكثافة عيوب أقل على فيلم البيروفسكايت SnOx/AZO. أكد مطيافية الامتصاص العابر استخراجاً أسرع للحاملات مع SnOx/AZO.
طبقة ALD تثبط التدهور
بعد 400 ساعة من التعتيق عند 85 درجة مئوية تحت الإضاءة، أظهرت عينات SnOx امتصاصاً أقوى ليوديد الرصاص في UV-vis، وقمم حيود Pb⁰ المعدني في XRD، وفراغات واجهة وفقدان في الكتلة في SEM المقطعي. في عينات SnOx/AZO، كانت علامات التدهور هذه أضعف بكثير. أظهر TOF-SIMS اختراقاً كثيفاً للفضة في طبقة البيروفسكايت وانتشاراً شديداً لـ I⁻ في أجهزة SnOx، بينما لم تظهر أجهزة SnOx/AZO أي انتشار أيوني واضح.
بعد 7 أيام عند رطوبة نسبية 85%، طور الفيلم المغطى بـ SnOx طور δ أصفر، لكن SnOx/AZO بقي أسود. أظهرت قياسات PLQY فقدان إعادة تركيب غير إشعاعي أقل واحتفاظاً أعلى بـ PLQY بعد التعتيق لـ SnOx/AZO. أظهر KPFM قفزة كبيرة في كثافة عيوب السطح لعينة SnOx المعتقة، بينما تغير SnOx/AZO بالكاد.
تطبيق المنتج
أداء واستقرار الخلية المفردة
في أجهزة الخلايا المفردة ذات البنية ITO / NiOx / Me-4PACz / بيروفسكايت / C60 / طبقة ALD / Ag، حقق SnOx/AZO القياسي كفاءة 23.47%، VOC 1.27 V، FF 83.92%، JSC 22.07 mA/cm²، مع تقليل التباطؤ بشكل واضح. كانت كثافة التيار المتكاملة من EQE 21.62 mA/cm²، أعلى من 20.92 mA/cm² لجهاز SnOx. كان خرج الطاقة المستقر 23.12%. كانت طاقة أورباخ 13.11 meV، أقل من 16.38 meV لجهاز SnOx.
فيما يتعلق بالاستقرار، بعد 1100 ساعة من التعتيق في الظلام عند 85 درجة مئوية، حافظ SnOx/AZO على أكثر من 90% من كفاءته الأولية، بينما انخفض SnOx إلى 85% بعد 600 ساعة. تحت 85 درجة مئوية مع الإضاءة، حافظ SnOx/AZO على أكثر من 80% بعد 300 ساعة، بينما انخفض SnOx إلى أقل من 60% بعد 200 ساعة. في اختبار MPPT، حافظ SnOx/AZO على 96% بعد 2000 ساعة، بينما انخفض SnOx إلى 80% بعد 700 ساعة.
أداء واستقرار الخلية الترادفية
تم دمج الطبقة الثنائية ALD في جهاز ترادفي من البيروفسكايت/TOPCon السيليكوني. أظهر HAADF-STEM طبقة ثنائية مستمرة وكثيفة مع SnOx حوالي 10 نانومتر وAZO حوالي 60 نانومتر، بدون ثقوب أو انفصال. أكد HR-TEM أن SnOx غير متبلور، وأظهر EDS توزيعًا موحدًا للزنك في AZO.
وصل الجهاز الترادفي الرائد إلى كفاءة 33.25%، VOC 1.98 فولت، JSC 20.83 مللي أمبير/سم²، FF 80.71%، مع عدم وجود تباطؤ تقريبًا. أظهر EQE تيارات ضوئية للخلية العلوية والسفلية تبلغ 20.43 و20.40 مللي أمبير/سم²، وهو تطابق جيد. كان خرج الطاقة المستقر 32.38%.
بعد 1000 ساعة من التعتيق الحراري عند 85 درجة مئوية، حافظ SnOx/AZO على كفاءة أعلى من 90%، بينما انخفض SnOx إلى أقل من 90% خلال 400 ساعة. في اختبار الرطوبة الحرارية (مزدوج 85)، بقي SnOx/AZO فوق 92% بعد 400 ساعة، بينما انخفض SnOx إلى أقل من 80% خلال 200 ساعة. بعد 1000 ساعة من الإضاءة المستمرة، حافظ SnOx/AZO على أكثر من 96%، بينما انخفض SnOx إلى أقل من 80% خلال 300 ساعة.
ملخص الآلية
تعود ميزة الطبقة الثنائية SnOx/AZO إلى أمرين. يعمل الغطاء الموصل AZO على تسريع استخراج الإلكترونات وتقليل تراكم الشحنات عند الواجهة، مما يثبط التدهور الناتج عن التفاعل عند الواجهة. في الوقت نفسه، تعمل الطبقة الثنائية الكثيفة كحاجز فعال للأيونات والرطوبة، مما يمنع تآكل الفضة الناتج عن اليوديد وهجرة Ag⁺ إلى البيروفسكايت. يؤدي استخراج الإلكترونات الأسرع مع الحجب الفيزيائي للأيونات إلى آلية "فصل وظيفي"، مما يعزز متانة الجهاز معًا.
تستخدم هذه الدراسة طبقة ثنائية SnOx/AZO بالكامل من ALD لقمع التدهور الناتج عن التفاعل عند الواجهة في الخلايا الترادفية من البيروفسكايت/السيليكون. تجمع الطبقة الثنائية بين توافق النطاق الجيد لـ SnOx مع الموصلية العالية ووظيفة الحاجز الكثيفة لـ AZO، مما يقلل من تراكم الشحنات ويمنع انتشار الأيونات ودخول الرطوبة. حققت الأجهزة أحادية الوصلة كفاءة 23.47%، والأجهزة الترادفية 33.25%، وحافظت كلاهما على أكثر من 96% من الكفاءة الأولية بعد 1000 ساعة من MPPT. يوضح ذلك أهمية هندسة الواجهة في بناء خلايا كهروضوئية ترادفية من البيروفسكايت/السيليكون عالية الكفاءة والمستقرة، ويشير إلى مسار حقيقي نحو خلايا فعالة ومتينة.
جهاز اختبار MPPT المركب من البيروفسكايت، المبني حول محاكي شمسي LED من فئة A+AA+ كمصدر ضوء للشيخوخة، يوفر دعمًا قويًا لأبحاث خلايا البيروفسكايت الشمسية. نظرًا لأن خلايا البيروفسكايت حساسة جدًا للضوء ودرجة الحرارة، فإن نقطة الطاقة القصوى الخاصة بها تتغير باستمرار. يتتبع جهاز التحكم MPPT تلك النقطة ويقفل عليها في الوقت الفعلي، بحيث يعمل النظام دائمًا بأفضل طاقته. وهذا يزيد من إنتاج الطاقة ويحسن استقرار واقتصاد النظام الكهروضوئي بأكمله.
المرجع: قمع التفاعلات البينية في الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت/السيليكون عبر طبقة ثنائية SnOx/AZO المصنعة بالكامل بواسطة ALD
رؤية Ooitech
ما يبرز هنا هو فكرة "الفصل الوظيفي"، حيث تسمح لطبقة رقيقة واحدة بالتعامل مع محاذاة النطاق وأخرى بالتعامل مع الحجب، بدلاً من إجبار طبقة SnOx واحدة على القيام بالمهمتين وفقدان إحداهما. على جانب الإنتاج، فإن تجانس تكديس ALD عبر الوحدة كاملة الحجم هو بالضبط ما يهم في التحكم في الخط والقياس، وهو نوع التفاصيل العملية التي نهتم بها عند بناء خطوط الوحدات. إذا كنت تريد رؤية المزيد حول كيفية تجميع تصنيع وحدات البيروفسكايت والترادفية فعليًا على أرض المصنع، فإن قناة Ooitech على YouTube (www.youtube.com/ooitech) تستحق المتابعة.
