كفاءة 33.25%، احتفاظ بنسبة 96% بـ MPPT بعد 1000 ساعة: طبقة SnOx/AZO المزدوجة المصنوعة بالكامل بـ ALD تثبط التفاعلات البينية في الخلايا الترادفية البيروفسكايت/السيليكون
جدول المحتويات
مقدمة المنتج
حققت الخلايا الترادفية من البيروفسكايت/السيليكون كفاءة تصل إلى 35%. المشكلة هي الاستقرار. لا تزال هذه الأجهزة بعيدة عن العمر الافتراضي البالغ 25 عامًا الذي تتطلبه التجارة، والسبب الجذري يكمن في الواجهات. تتراكم الشحنات هناك، ويؤدي هذا التراكم إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال وهجرة الأيونات.
تواجه طبقة نقل الإلكترون SnOx المصنوعة بتقنية ALD المستخدمة على نطاق واسع مفاضلة في السماكة بسبب مقاوميتها العالية. إذا كانت سميكة جدًا، ترتفع المقاومة التسلسلية. وإذا كانت رقيقة جدًا، لا يمكنها حجب أضرار الرش أو انتشار الأيونات. لدراسة ذلك، يمكن لجهاز اختبار تتبع نقطة القدرة القصوى لمركبات البيروفسكايت باستخدام محاكي شمسي LED من الدرجة AAA كمصدر ضوء للتقادم التحكم في درجة حرارة الخلية بعدة طرق وإدارة البيئة المحيطة، وإجراء اختبارات استقرار طويلة الأمد.
يبني هذا العمل طبقة SnOx/AZO ثنائية 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 عن الحجب 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، ما زالت تحتفظ بنسبة 96% من كفاءتها الأولية، مما يدعم استراتيجية الواجهة.
المعايير الفنية
مواصفات جهاز اختبار تتبع نقطة القدرة القصوى لمركبات البيروفسكايت
| المعلمة | المواصفة |
|---|---|
| درجة مصدر الضوء | محاكي شمسي LED من الدرجة A+AA+ (3A+) |
| عمر مصدر الضوء | 10,000 ساعة+ |
| الناتج الطيفي (قابل للتعديل) | 350-400 نانومتر / 400-750 نانومتر / 750-1150 نانومتر، يتم التحكم فيه بشكل مستقل |
| غرفة بيئية | اختياري درجة حرارة ورطوبة ثابتة، يلبي معيار ISOS |
| الحمل الإلكتروني | نماذج متعددة، تشغيل مستقل متعدد القنوات |
| التطبيق | اختبار استقرار خلايا البيروفسكايت أحادية الوصلة والترادفية |
المزايا التقنية
تصنيع طبقة ALD الثنائية والأداء الكهربائي
أظهرت اختبارات الوصلة المفردة أن SnOx يعمل بشكل أفضل عند 150 دورة. زيادة السماكة رفعت المقاومة التسلسلية وخفضت عامل التعبئة. لتخفيف حد المقاومية، أضاف المؤلفون طبقة AZO بينية نمت بواسطة ALD. تمت مقارنة تركيبتين: SnOx بـ 250 دورة مقابل SnOx بـ 100 دورة بالإضافة إلى AZO بـ 400 دورة.
أظهرت قياسات J-V أن تركيبة SnOx/AZO رفعت أداء الجهاز. وجد تحليل مستويات الطاقة أن الحد الأدنى لنطاق التوصيل ينخفض تدريجياً من SnOx إلى AZO إلى IZO، مشكلاً سلماً نطاقياً أكثر ملاءمة يخفض حاجز الاستخراج عند الواجهة. أظهر c-AFM أن SnOx/AZO و AZO النقي يوصلان أفضل بكثير من SnOx النقي. أظهر KPFM جهد سطح أكثر انتظاماً وكثافة عيوب أقل على فيلم البيروفسكايت SnOx/AZO. أكد مطيافية الامتصاص العابر استخراج حاملات أسرع 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 معدنية في XRD، وفراغات واجهية وفقدان في الكتلة في SEM المقطعي. في عينات SnOx/AZO، كانت علامات التدهور هذه أضعف بكثير. أظهر TOF-SIMS اختراقاً كبيراً للفضة في طبقة البيروفسكايت وانتشاراً شديداً لأيونات I⁻ في أجهزة SnOx، بينما لم تظهر أجهزة SnOx/AZO أي انتشار أيوني واضح.
بعد 7 أيام عند رطوبة نسبية 85%، تطور الفيلم المغطى بـ SnOx طوراً أصفر δ، لكن SnOx/AZO بقي أسود. أظهرت قياسات PLQY خسارة إعادة اتحاد غير إشعاعية 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 خلية الوصلة المفردة
في أجهزة الوصلة المفردة ذات البنية ITO / NiOx / Me-4PACz / بيروفسكايت / C60 / طبقة ALD / Ag، حقق SnOx/AZO كفاءة قياسية 23.47%، جهد دائرة مفتوحة 1.27 فولت، عامل تعبئة 83.92%، تيار دائرة قصر 22.07 مللي أمبير/سم²، مع انخفاض واضح في التباطؤ. كان التيار المتكامل من EQE 21.62 مللي أمبير/سم²، أعلى من 20.92 مللي أمبير/سم² لجهاز SnOx. كان خرج الطاقة المستقر 23.12%. جاءت طاقة أورباخ عند 13.11 ميلي إلكترون فولت، أقل من 16.38 ميلي إلكترون فولت لجهاز SnOx.
فيما يتعلق بالاستقرار، بعد 1100 ساعة من التعتيق الداكن عند 85 درجة مئوية، حافظ SnOx/AZO على أكثر من 90% من كفاءته الأولية، بينما انخفض SnOx إلى 85% عند 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، دون ثقوب أو انفصال. أكد HR-TEM أن SnOx غير متبلور، وأظهر EDS توزيعًا موحدًا للزنك في AZO.
وصل الجهاز الترادفي الأفضل إلى كفاءة 33.25%، وجهد الدائرة المفتوحة 1.98 فولت، وكثافة تيار الدائرة القصيرة 20.83 مللي أمبير/سم²، وعامل التعبئة 80.71%، مع عدم وجود تباطؤ تقريبًا. أظهر EQE تيارات ضوئية للخلايا العلوية والسفلية تبلغ 20.43 و20.40 مللي أمبير/سم²، وهو تطابق جيد. كان خرج الطاقة المستقر 32.38%.
بعد 1000 ساعة من التقادم 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 (85/85)، بقي SnOx/AZO أعلى من 92% بعد 400 ساعة، بينما انخفض SnOx إلى أقل من 80% خلال 200 ساعة. بعد 1000 ساعة من الإضاءة المستمرة، حافظ SnOx/AZO على أعلى من 96%، بينما انخفض SnOx إلى أقل من 80% خلال 300 ساعة.
ملخص الآلية
تعود ميزة الطبقة الثنائية SnOx/AZO إلى أمرين. تعمل الطبقة العلوية الموصلة من AZO على تسريع استخراج الإلكترونات وتقليل تراكم الشحنات عند الواجهة، مما يثبط تدهور الواجهة الناتج عن التفاعل. 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"، بحيث يعزز التأثيران متانة الجهاز معًا.
تستخدم هذه الدراسة طبقة ثنائية SnOx/AZO بالكامل عبر ALD لقمع التدهور الناتج عن تفاعلات الواجهة في الخلايا الترادفية من البيروفسكايت/السيليكون. تجمع الطبقة الثنائية بين توافق النطاقات الجيد لـ SnOx مع الموصلية العالية ووظيفة الحاجز الكثيف لـ AZO، مما يقلل 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 تتبع نقطة الطاقة القصوى. يوضح ذلك أهمية هندسة الواجهة في بناء خلايا ترادفية من البيروفسكايت/السيليكون عالية الكفاءة والمستقرة، ويشير إلى مسار حقيقي نحو خلايا فعالة ومتينة في نفس الوقت.
يوفر جهاز تتبع نقطة الطاقة القصوى المركب للبيروفسكايت، المبني حول محاكي شمسي LED من فئة A+AA+ كمصدر ضوء للتقادم، 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 في تتبع نقطة الطاقة القصوى تلك النقطة ويقفل عليها في الوقت الفعلي، بحيث يعمل النظام دائمًا بأفضل طاقته. وهذا يزيد من إنتاج الطاقة ويحسن استقرار واقتصاديات نظام الطاقة الشمسية بأكمله.
المرجع: قمع التفاعلات البينية في الخلايا الشمسية الترادفية البيروفسكايت/السيليكون عبر طبقة ثنائية SnOx/AZO باستخدام ALD الكامل
رؤية Ooitech
ما يلفت النظر هنا هو فكرة "الفصل الوظيفي"، حيث يتم ترك طبقة رقيقة واحدة للتعامل مع محاذاة النطاق وأخرى للتعامل مع الحجب، بدلاً من إجبار طبقة SnOx واحدة على القيام بالمهمتين معًا وفقدان إحداهما. على جانب الإنتاج، فإن توحيد تكديس ALD عبر وحدة كاملة الحجم هو بالضبط ما يهم في التحكم بالخط والقياس، وهو نوع التفاصيل العملية التي نهتم بها بشدة عند بناء خطوط الوحدات. إذا كنت تريد رؤية المزيد حول كيفية تجميع تصنيع وحدات البيروفسكايت والترادفية فعليًا في المصنع، فإن قناة Ooitech على يوتيوب (www.youtube.com/ooitech) تستحق المتابعة.
