مقدمة المنتج

الخلايا الشمسية الترادفية أحادية القطعة من البيروفسكايت/السيليكون هي واحدة من أوضح المسارات لتجاوز سقف كفاءة الأجهزة أحادية الوصلة. يتم توصيل الخلية العلوية والخلية السفلية على التوالي من خلال طبقة توصيل بينية لإعادة التركيب، ومدى جودة هذه الواجهة يحدد ما إذا كان يمكن نقل حاملات الشحنة وإعادة تجميعها بسلاسة. تكمن المشكلة على السطح المحكم بالهرمات الدقيقة للخلية السفلية من السيليكون غير المتجانس (SHJ). يبلغ ارتفاع الهرمات حوالي 600 نانومتر، وعلى هذا التضاريس تعاني طبقة إعادة التركيب من فقدان بصري طفيلي بينما لا تنتشر الطبقة الأحادية ذاتية التجميع (SAM) بشكل متساوٍ. بمرور الوقت، يؤدي هذا إلى تدهور أداء الجهاز.

قام هذا العمل بقياس طبقات التوصيل البينية من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) بسمك من 2 إلى 30 نانومتر ووجد أن الطبقة فائقة الرقة بسمك 8 نانومتر تعمل بشكل أفضل على جبهتين في وقت واحد: تقليل الفقد البصري وتحسين انتظام الجهد السطحي. بمجرد إضافة تعديل NiOx والوظائفية Poly-SAM فوقها، ارتفعت كثافة تيار الدارة القصيرة بمقدار 0.85 مللي أمبير/سم² لتصل إلى 20.82 مللي أمبير/سم²، وبلغت كفاءة تحويل الطاقة 31.80%، وبعد 500 ساعة من تتبع نقطة الطاقة القصوى، احتفظ الجهاز بنسبة 96% من كفاءته الأولية.

الطريقة التجريبية

استخدمت الخلية السفلية SHJ رقائق سيليكون من النوع n، بسمك 110 ± 10 ميكرومتر، محكمة الوجهين بواسطة KOH إلى هرمات بارتفاع حوالي 600 نانومتر. بعد التنظيف بـ RCA، قامت PECVD بترسيب طبقات التخميل والتنشيط بالتسلسل: الجانب الأمامي حصل على 8 نانومتر من a-Si:H(i) غير المتبلور بالإضافة إلى 15 نانومتر من nc-SiOx:H(n) من النوع n، والجانب الخلفي حصل على 8 نانومتر من a-Si:H(p) من النوع p، ثم تم رش 110 نانومتر من ITO وتبخير 700 نانومتر من Ag على الظهر. على الجبهة، تم ترسيب ستة سماكات من ITO للطبقة البينية بشكل منفصل: 2 و5 و8 و10 و20 و30 نانومتر، وتم التلدين عند 180 درجة مئوية والكتابة بالليزر.

اتبعت الخلية العلوية البيروفسكايت هذا المسار. تم تلدين الخلية السفلية ومعالجتها بالأوزون فوق البنفسجي أولاً، ثم تم ترسيب NiOx بواسطة الرش المغنطروني، تليها خطوة تلدين وأوزون فوق بنفسجي أخرى. داخل صندوق قفازات النيتروجين، تم طلاء Poly-SAM بالدوران (0.5 mg mL⁻¹، مذيب الميثانول وكلوروبنزين بنسبة 1:1) وتلدينه عند 100°C. كان البيروفسكايت Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ بفجوة نطاق 1.68 eV، تم طلاؤه بالدوران في خطوتين، مع تقطير كلوروبنزين كمذيب مضاد أثناء المرحلة عالية السرعة وخبزه عند 100°C لمدة 20 دقيقة. تم تعديل السطح باستخدام PDADI، ثم تم تبخير C₆₀ حراريًا، ونمو SnO₂ بواسطة ALD، ورش IZO بسمك 45 nm، وتبخير أقطاب Ag، وأخيرًا تم تغطية المكدس بطبقة مضادة للانعكاس من MgF₂.

المزايا التقنية

الخصائص البصرية الإلكترونية لطبقة التوصيل البيني ITO

(أ) Rsh و Ne و µ مقابل السمك (ن = 10)؛ (ب) الامتصاصية والانعكاسية البصرية لطبقة ITO؛ (ج) دالة الشغل مقابل السمك؛ (د) تحول دالة الشغل (ΔWF) قبل وبعد معالجة NiOx عند سمك مختلف؛ (هـ) رسم تخطيطي لتوزيع SAM على ITO المعدل بـ NiOx؛ (و) خرائط جهد سطح KPFM لـ ITO بسمك 2–30 nm؛ (ز) خرائط جهد سطح KPFM لـ ITO بسمك 8 nm قبل وبعد معالجة NiOx و Poly-SAM.

أظهرت قياسات تأثير هول انخفاض مقاومة الصفيحة مع زيادة سمك الفيلم، وهو ما تتوقعه. ظل تركيز الحاملات ثابتًا إلى حد ما بين 8 و 30 nm، حوالي 2.8 إلى 3.5 × 10²⁰ cm⁻³، ولكن بمجرد النزول إلى أقل من 8 nm يبدأ في الانخفاض. انخفضت الحركة قليلاً فقط عبر النافذة الضيقة من 2 إلى 8 nm، وهي علامة على أن سلامة الفيلم لا تزال سليمة. يقع 8 nm في المكان المثالي حيث تكون مقاومة الصفيحة منخفضة بما يكفي ولم ينهار الأداء الكهربائي.

(أ) طيف XPS عالي الدقة لـ O 1s مع ملاءمة القمم لطبقة ITO على سطح الخلية السفلية c-Si المحكم. (ب) أطياف XPS عالية الدقة لطبقة ITO بسمك 8 nm على الخلية السفلية c-Si المحكم قبل وبعد تعديل NiOx. (ج) صورة SEM مقطعية لطبقة ITO بسمك 8 nm على الخلية السفلية c-Si المحكم. (د) خرائط العناصر EDS المقابلة للمنطقة المركزة لعينة ITO بسمك 8 nm، مع وسيلة إيضاح اللون والعنصر في الزاوية اليمنى العليا.

بصريًا، أدى تقليل سمك ITO إلى خفض كل من الانعكاسية والامتصاصية فوق 450 nm، بفضل التداخل التدميري بالإضافة إلى امتصاص الحاملات الحرة الأضعف.

• أظهرت UPS أن دالة الشغل تزداد مع انخفاض السمك، وبعد تعديل NiOx والتلدين، بلغت ذروة تغير دالة الشغل عند 8 نانومتر.

• كشفت مسحات KPFM أن ITO الأقل من 10 نانومتر قمعت جميع نقاط التحويل المحلية، مع أفضل تجانس عند 8 نانومتر.

• أظهر XPS تفصيلًا مثيرًا للاهتمام: سطح ITO بسمك 8 نانومتر يحتوي على كثافة هيدروكسيل أعلى من سطح 20 نانومتر، وشكلت هذه الهيدروكسيلات روابط جسرية In─O─Ni مع NiOx، مما سمح لـ NiOx بالانتشار بشكل متساوٍ والالتصاق بقوة أكبر. بعد التعديل، اختفت إشارة In تمامًا، مما يشير إلى أن جودة طبقة التغطية كانت ممتازة وأسست أساسًا جيدًا للتجميع الذاتي لـ SAM الذي يليه.

• أكدت SEM وEDS أيضًا أن ITO بسمك 8 نانومتر أعطى تغطية مطابقة للنسيج.

أداء الخلية الترادفية الكهروضوئية

(أ) تغير Jsc في الخلايا الترادفية البيروفسكايت/سيليكون؛ (ب) تغير Voc؛ (ج) تغير FF؛ (د) تغير PCE؛ (هـ) صورة SEM مقطعية للخلية الترادفية على ITO؛ (و) نمط XRD لفيلم البيروفسكايت على ITO؛ (ز) طيف PL للحالة المستقرة لفيلم البيروفسكايت على ITO؛ (ح) منحنيات PL الطبيعية للحالة المستقرة؛ (ط) أطياف اضمحلال TRPL العابرة لفيلم البيروفسكايت على ITO؛ (ي) صورة تلألؤ ضوئي للخلية الترادفية، المساحة النشطة 0.928 سم².

خضعت جميع سماكات ITO الستة للوصلات البينية لاختبار J-V.

• أقل من 5 نانومتر، انخفضت Voc وFF بشكل حاد. لم يمكن دفع Voc إلى ما بعد 1.7 فولت وبلغت PCE 21.68% فقط، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الفيلم كان غير متصل على النسيج الهرمي.

• كان 8 نانومتر هو الحل الأفضل. أظهر SEM المقطعي أن حبيبات البيروفسكايت أكبر وأكثر كثافة على ITO فائق الرقة (أقل من 10 نانومتر)، وأكد XRD جودة بلورية أفضل، على الرغم من أن العينة بسمك 5 نانومتر أظهرت قمة PbI₂، وهي علامة على بدء التدهور. زادت شدة PL للحالة المستقرة من 30 نانومتر وصولاً إلى 8 نانومتر، ثم انخفضت مرة أخرى، لذا كان 8 نانومتر عند الذروة، مطابقًا لأقل كثافة عيوب.

• لم تتغير القمة المميزة لـ PL الطبيعية، مما يعني أن طبيعة إعادة التركيب غير الإشعاعي عند الواجهة بقيت كما هي. كانت أعمار حاملات TRPL أيضًا أطول عند 8 نانومتر. تعود هذه النتائج إلى ثنائي القطب الصافي الأقوى ودالة الشغل الأكثر تجانسًا التي يجلبها Poly-SAM، مما يرفع Voc وFF معًا. كما كشفت تصوير PL عن عدم تجانس تحت الميكرون داخل الخلية الفرعية البيروفسكايت، لكن طبقة ITO فائقة الرقة عالية المقاومة لها مقاومة جانبية عالية، لذا تم احتواء نطاق التحويل المحلي بشكل فعال ولم يسحب الجهاز بأكمله لأسفل.

تحسين كثافة التيار

(أ) منحنيات EQE للخلايا الفرعية من البيروفسكايت والسيليكون تحت طبقة الربط ITO بسماكة 8 نانومتر؛ (ب) منحنيات EQE للخلايا التاندوم الأولية والمحسّنة.

تم تقييم طبقة IZO الأمامية بواسطة معامل الجودة Aw × Rsheet⁻¹، وكانت سماكة 45 نانومتر هي الأفضل. أدى تقليل سماكة ITO للربط من 20 نانومتر إلى 10 نانومتر إلى 8 نانومتر إلى رفع متوسط Jsc من 19.78 إلى 19.96 إلى 20.55 مللي أمبير/سم². كانت كثافات التيار المدمجة من EQE للخلايا الفرعية من البيروفسكايت والسيليكون 20.64 و 20.51 مللي أمبير/سم² على التوالي، بما يتوافق مع بيانات J-V. مقارنة بـ ITO بسماكة 20 نانومتر، أعطت سماكة 8 نانومتر للخلية الفرعية من البيروفسكايت زيادة قدرها 0.06 مللي أمبير/سم² وللخلية الفرعية من السيليكون زيادة قدرها 0.47، مع تحقيق أكبر مكسب من مساهمة الأشعة تحت الحمراء القريبة من الخلية السفلية السيليكونية.

تطبيق المنتج

أداء الجهاز واستقراره

(أ) الهيكل التخطيطي وصورة فوتوغرافية للخلية الشمسية التاندوم من البيروفسكايت/السيليكون؛ (ب) صورة SEM للمقطع العرضي للخلية التاندوم؛ (ج) منحنيات J-V للخلايا الفرعية المفردة من البيروفسكايت والسيليكون؛ (د) منحنى J-V ممثل للخلية عالية الأداء؛ (هـ) تغير Rs في خلايا التاندوم من البيروفسكايت/السيليكون المبنية على طبقات ربط ITO بسماكة من 30 نانومتر إلى 2 نانومتر؛ (و) نتائج اختبار MPPT للخلية التاندوم المغلفة تحت إضاءة شمسية بقوة 1 شمس.

بمجرد ضبط سماكة طبقة الربط ITO، ارتفع متوسط كفاءة تحويل الطاقة (PCE) للأجهزة التاندوم من 28.64% إلى 30.67%. حملت سماكة ITO البالغة 2 نانومتر مقاومة تسلسلية Rs عالية تصل إلى 41.26 أوم، مما أدى إلى كسر الاتصال التسلسلي بشكل أساسي. كانت Rs لسماكة 8 نانومتر أقل بكثير، وانخفضت المعاوقة الداخلية، وتقلص فقدان الجهد بالقرب من نقطة الطاقة القصوى. فيما يتعلق بالاستقرار، حافظت خلية التاندوم ذات ITO بسماكة 8 نانومتر على 96% من PCE الأولي بعد 500 ساعة من MPPT، بينما احتفظت الخلية ذات ITO بسماكة 20 نانومتر بنسبة 90% فقط، مما وضعها ضمن الأكثر استقرارًا في عائلة الربط TCO/SAM. لماذا هي مستقرة جدًا؟ تغطية Poly-SAM عالية، ويتبلور البيروفسكايت بشكل أفضل معها.

المناطق المغطاة بـ SAM لها طاقة سطحية منخفضة، وتتناسق مجموعات حمض الفوسفونيك مع Pb²⁺ و FA⁺، مما يوجه البيروفسكايت للنمو ببطء وبطريقة منظمة، لذا تظهر الحبيبات كبيرة. في مناطق ITO العارية لا يوجد مثل هذا التأثير القالب، ويحدث التبلور بسرعة وبشكل غير منتظم، وتنتهي الحبيبات صغيرة مع الكثير من حدود الحبيبات. علاوة على ذلك، يقوم Poly-SAM بمعالجة الروابط غير المشبعة والفراغات الهالوجينية عند الواجهة، ويتم قمع هجرة الهاليد، ويتباطأ التدهور. كما يساعد الجهد السطحي المنتظم الذي يوفره ITO فائق الرقة نفسه، ومع تراكم عدة عوامل يزداد عمر الجهاز.

يعتمد اختبار استقرار MPPT هنا على محاكي شمسي LED من الدرجة 3A+ كمصدر ضوء للتقادم، والذي يمكنه التحكم في درجة حرارة الخلية والجو المحيط بعدة طرق لإجراء اختبار استقرار طويل الأمد.

الاستنتاج والتوقعات

8 نانومتر هو السُمك الأمثل لطبقة ITO البينية للخلايا الترادفية البيروفسكايت/سيليكون. هذا السُمك يرفع جودة بلورة البيروفسكايت ويقلل الامتصاص الطفيلي. بعد تعديل NiOx وتفعيل Poly-SAM، يصبح الجهد السطحي أكثر انتظامًا وتحول دالة الشغل أكثر وضوحًا. سطح ITO بسُمك 8 نانومتر يحمل المزيد من الهيدروكسيلات، ينتشر NiOx بالتساوي، وتكون طبقة SAM كثيفة، وتم التحقق من التغطية المطابقة للنسيج بواسطة SEM و EDS. مقارنةً بـ ITO التقليدي بسُمك 20 نانومتر، حقق الجهاز المحسّن كفاءة قياسية بلغت 31.80%، مع زيادة في Jsc بمقدار 0.85 مللي أمبير/سم² واحتفاظ بنسبة 96% من الكفاءة الأولية بعد 500 ساعة من MPPT.

بالنظر إلى المستقبل، لا يزال هناك الكثير لتحسينه. يمكن تحسين النسيج الخلفي والعاكس البصري بشكل أكبر لتعزيز حبس الضوء في الخلية السفلية من السيليكون، وزيادة تيارها، وتحقيق مطابقة التيار. لا تزال FF و Voc تمثلان عنق الزجاجة الذي يحد من الكفاءة الكلية، لذا يجب تعميق استراتيجيات تخميل التلامس. كما أن الهياكل البينية البديلة مثل الوصلات النفقية القائمة على السيليكون تستحق التجربة. عندما يتعلق الأمر بالتوسع إلى الإنتاج، يجب ضبط سُمك TCO وتصميم شبكة المعدنة معًا، بحيث لا يكون التظليل ثقيلًا جدًا ولا تعاني الموصلية الجانبية على المساحات الكبيرة. ومع طبقة أرق، ينخفض استخدام الإنديوم، مما يفيد الاستدامة أيضًا.

رأي Ooitech

ما يلفت الانتباه هنا هو أن بضعة نانومترات من ITO يمكنها التأثير على كل من البصريات والتبلور على نسيج الهرم البالغ 600 نانومتر، وأن نفس مشكلة التغطية المطابقة هي بالضبط ما يظهر عندما تنتقل خطوط التاندوم من عينات المختبر إلى الوحدات كاملة الحجم. في أرض الإنتاج، يجب أن تراعي خطوات التابير-سترينجر والتجميع والتصفيح هذه الواجهات الهشة للربط البيني وSAM، وهنا تكمن قيمة معدات خط الوحدات الموحدة والمضبوطة جيدًا. إذا كنت ترغب في رؤية كيف تبدو هذه العمليات على نطاق المصنع الحقيقي، فإن قناة Ooitech على يوتيوب في www.youtube.com/ooitech تستحق المتابعة.