خلايا البيروفسكايت/السيليكون الترادفية: طبقة توصيل ITO بسماكة 8 نانومتر تحقق كفاءة 31.80%

مقدمة المنتج

الخلايا الشمسية الترادفية أحادية البنية من البيروفسكايت/السيليكون هي واحدة من أوضح الطرق 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 تركيبها 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 فقد بصري طفيلي بينما لا تنتشر الطبقة الأحادية ذاتية التجميع (SAM) بالتساوي أبدًا. بمرور الوقت، يؤدي هذا إلى تدهور أداء الجهاز.

قام هذا العمل بقياس طبقات التوصيل البينية من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) بسمك يتراوح من 2 إلى 30 نانومتر ووجد أن الطبقة فائقة الرقة بسماكة 8 نانومتر تعمل بشكل أفضل على جبهتين في وقت واحد: تقليل الفقد البصري وتحسين انتظام الجهد السطحي. بعد إضافة تعديل NiOx ومعالجة 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، مع نسيج مزدوج الجوانب باستخدام KOH إلى هرمات بارتفاع حوالي 600 نانومتر. بعد تنظيف RCA، قامت PECVD بترسيب طبقات التخميل والطبقات المشوبة بالتسلسل: الجانب الأمامي حصل على 8 نانومتر من a-Si:H(i) غير المشوب 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 الجانب الأمامي، تم ترسيب ست سماكات من طبقة التوصيل البينية ITO بشكل منفصل: 2 و5 و8 و10 و20 و30 نانومتر، مع التلدين عند 180 درجة مئوية والكتابة بالليزر.

اتبعت الخلية العلوية من البيروفسكايت هذا المسار. تم تلدين الخلية السفلية ومعالجتها بالأشعة فوق البنفسجية والأوزون أولاً، ثم تم ترسيب NiOx بواسطة الرش المغنطروني، تلا ذلك خطوة تلدين وأشعة فوق بنفسجية وأوزون أخرى. داخل صندوق قفازات النيتروجين، تم طلاء Poly-SAM بالدوران (0.5 ملغ مل⁻¹، مذيب الميثانول وكلوروبنزين بنسبة 1:1) وتلدينه عند 100 درجة مئوية. كان البيروفسكايت Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ بفجوة نطاق 1.68 إلكترون فولت، تم طلاؤه بالدوران في خطوتين، مع تقطير كلوروبنزين كمذيب مضاد خلال المرحلة عالية السرعة وخبزه عند 100 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة. تم تعديل السطح باستخدام PDADI، ثم تم تبخير C₆₀ حرارياً، ونمو SnO₂ بواسطة ALD، وترسيب IZO بسمك 45 نانومتر بالرش، وتبخير أقطاب Ag، وأخيراً تم تغطية المكدس بطبقة مضادة للانعكاس من MgF₂.

المزايا التقنية

الخصائص البصرية والإلكترونية لطبقة الربط البينية ITO

(أ) Rsh و Ne و µ مقابل السماكة (ن = 10)؛ (ب) الامتصاصية والانعكاسية البصرية لطبقة ITO؛ (ج) دالة الشغل مقابل السماكة؛ (د) تحول دالة الشغل (ΔWF) قبل وبعد معالجة NiOx عند سماكات مختلفة؛ (هـ) مخطط تخطيطي لتوزيع SAM على ITO المعدل بـ NiOx؛ (و) خرائط جهد سطح KPFM لطبقة ITO البينية بسمك 2-30 نانومتر؛ (ز) خرائط جهد سطح KPFM لطبقة ITO البينية بسمك 8 نانومتر قبل وبعد المعالجة الوظيفية بـ NiOx و Poly-SAM.

أظهرت قياسات تأثير هول انخفاض مقاومة الصفيحة مع زيادة سماكة الفيلم، وهو ما هو متوقع. ظل تركيز الناقلات ثابتاً إلى حد ما بين 8 و 30 نانومتر، حوالي 2.8 إلى 3.5 × 10²⁰ سم⁻³، ولكن بمجرد النزول إلى أقل من 8 نانومتر يبدأ في الانخفاض. انخفضت الحركة قليلاً فقط عبر نافذة 2 إلى 8 نانومتر الضيقة، مما يشير إلى أن سلامة الفيلم ما زالت سليمة. تقع سماكة 8 نانومتر في النقطة المثالية حيث تكون مقاومة الصفيحة منخفضة بما يكفي ولم ينهار الأداء الكهربائي.

(أ) طيف XPS عالي الدقة لـ O 1s مع تركيب القمم لطبقة ITO على سطح الخلية السفلية من c-Si المحكم. (ب) أطياف XPS عالية الدقة لطبقة ITO بسمك 8 نانومتر على الخلية السفلية من c-Si المحكم قبل وبعد تعديل NiOx. (ج) صورة SEM للمقطع العرضي لطبقة ITO بسمك 8 نانومتر على الخلية السفلية من c-Si المحكم. (د) خرائط عناصر EDS المقابلة للمنطقة المركزة من عينة ITO بسمك 8 نانومتر، مع مفتاح الألوان والعناصر في أعلى اليمين.

بصرياً، أدى تقليل سماكة ITO إلى خفض كل من الانعكاسية والامتصاصية فوق 450 نانومتر، بفضل التداخل الهدام بالإضافة إلى امتصاص الناقلات الحرة الأضعف.

• أظهرت قياسات UPS أن دالة الشغل ترتفع مع انخفاض السماكة، وبعد تعديل NiOx والمعالجة الحرارية بلغت ذروة تغير دالة الشغل عند 8 نانومتر.

• كشفت فحوصات KPFM المساحية أن ITO بسماكة أقل من 10 نانومتر يثبط جميع نقاط التحويل المحلية، وكانت السماكة 8 نانومتر الأفضل من حيث التجانس.

• أظهرت XPS تفصيلًا مثيرًا للاهتمام: سطح ITO بسماكة 8 نانومتر يحتوي على كثافة هيدروكسيل أعلى من سطح 20 نانومتر، وهذه الهيدروكسيلات شكلت روابط جسرية In─O─Ni مع NiOx، مما سمح لـ NiOx بالانتشار بشكل أكثر تجانسًا والالتصاق بقوة أكبر. بعد التعديل اختفت إشارة In تمامًا، مما يدل على جودة ممتازة لطبقة التغطية وأسس جيدة للتجميع الذاتي لـ SAM لاحقًا.

• أكدت فحوصات SEM وEDS أيضًا أن ITO بسماكة 8 نانومتر يوفر تغطية مطابقة للنسيج.

أداء الخلايا الشمسية الترادفية الضوئية

(أ) تغير Jsc في الخلايا الترادفية بيروفسكايت/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 في الحالة المستقرة لفيلم البيروفسكايت على ITO؛ (ح) منحنيات PL المستقرة المعيارية؛ (ط) أطياف اضمحلال TRPL العابرة لفيلم البيروفسكايت على ITO؛ (ي) صورة التألق الضوئي للخلية الترادفية، المساحة النشطة 0.928 سم².

تم اختبار جميع السماكات الست لطبقة ITO البينية عبر قياسات J-V.

• تحت 5 نانومتر، انخفضت Voc وFF بشكل حاد. لم يمكن رفع Voc فوق 1.7 فولت وبلغت PCE 21.68% فقط، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الفيلم كان غير متصل بالفعل على النسيج الهرمي.

• كانت السماكة 8 نانومتر هي الأفضل. أظهرت صور SEM المقطعية حبيبات بيروفسكايت أكبر وأكثر كثافة على ITO فائق الرقة (أقل من 10 نانومتر)، وأكد XRD جودة بلورية أفضل، على الرغم من أن العينة بسماكة 5 نانومتر أظهرت قمة PbI₂، مما يشير إلى بدء التدهور. ارتفعت شدة PL في الحالة المستقرة من 30 نانومتر وصولًا إلى 8 نانومتر ثم انخفضت مرة أخرى، لذا كانت 8 نانومتر عند الذروة تمامًا، مطابقة لأدنى كثافة عيوب.

• لم تتغير القمة المميزة لـ PL المعيارية، مما يعني أن طبيعة إعادة التركيب غير الإشعاعية عند الواجهة بقيت كما هي. كانت أعمار حاملات الشحنة في TRPL أيضًا الأطول عند 8 نانومتر. تعود هذه النتائج إلى العزم ثنائي القطب الصافي الأقوى ودالة الشغل الأكثر تجانسًا التي يوفرها Poly-SAM، مما يرفع Voc وFF معًا. كشفت صور PL أيضًا عن عدم تجانس تحت الميكرون داخل الخلية الفرعية للبيروفسكايت، لكن طبقة ITO فائقة الرقة عالية المقاومة تمتلك مقاومة جانبية عالية، لذا تم احتواء تأثير التحويل المحلي بشكل فعال ولم يسحب الجهاز بأكمله إلى الأسفل.

تحسين كثافة التيار

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

تم تقييم طبقة IZO الأمامية بواسطة معامل الجودة Aw × Rsheet⁻¹، وكانت 45 نانومتر هي الأفضل. أدى تقليل سماكة طبقة الربط ITO من 20 نانومتر إلى 10 نانومتر ثم إلى 8 نانومتر إلى رفع متوسط Jsc من 19.78 إلى 19.96 ثم إلى 20.55 مللي أمبير/سم². كانت كثافات التيار المدمجة من EQE للخلايا الفرعية من البيروفسكايت والسيليكون 20.64 و20.51 مللي أمبير/سم² على التوالي، بما يتوافق مع بيانات J-V. مقارنةً بـ 20 نانومتر ITO، 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 من السيليكون.

تطبيق المنتج

أداء الجهاز والاستقرار

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

بمجرد ضبط سماكة طبقة الربط ITO، ارتفع متوسط كفاءة تحويل الطاقة (PCE) للأجهزة الترادفية من 28.64% إلى 30.67%. حملت طبقة ITO بسماكة 2 نانومتر مقاومة تسلسلية Rs 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 الخلية الترادفية ذات ITO بسماكة 8 نانومتر على 96% من كفاءتها الأولية بعد 500 ساعة من اختبار MPPT، بينما احتفظت الخلية ذات 20 نانومتر بـ 90% فقط، مما وضعها ضمن الأكثر استقرارًا في عائلة الربط TCO/SAM. لماذا هذا الاستقرار؟ تغطية Poly-SAM عالية، ويتحسن تبلور البيروفسكايت معها.

المناطق المغطاة بـ SAM لديها طاقة سطحية منخفضة، وتتناسق مجموعات حمض الفوسفونيك مع Pb²⁺ و FA⁺، مما يوجه البيروفسكايت لينمو ببطء وبشكل منظم، لذا تخرج الحبيبات كبيرة. على مناطق ITO العارية لا يوجد مثل هذا التأثير القالب، ويكون التنوي سريعًا وغير منتظم، وتنتهي الحبيبات صغيرة مع الكثير من حدود الحبيبات. علاوة على ذلك، يقوم Poly-SAM بتهدئة الروابط غير المشبعة وفراغات الهاليد عند الواجهة، ويتم قمع هجرة الهاليد، ويتباطأ التدهور. كما يساعد جهد السطح الموحد الذي يجلبه ITO فائق الرقة نفسه، ومع تراكم عدة عوامل يرتفع 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.

الخلاصة والتوقعات

8 نانومتر هو السُمك الأمثل لطبقة ITO البينية للخلايا الترادفية البيروفسكايت/سيليكون. هذا السُمك يرفع جودة التبلور للبيروفسكايت ويقلل الامتصاص الطفيلي. بعد تعديل NiOx وتفعيل Poly-SAM، يصبح جهد السطح أكثر انتظامًا ويتزايد تحول دالة الشغل. سطح ITO بسُمك 8 نانومتر يحمل المزيد من الهيدروكسيل، وينتشر NiOx بالتساوي، وتتراص SAM بكثافة، وتم التحقق من التغطية المطابقة للنسيج عبر SEM و EDS. مقارنةً بـ ITO التقليدي بسُمك 20 نانومتر، حقق الجهاز المحسّن كفاءة قياسية بلغت 31.80%، مع زيادة Jsc بمقدار 0.85 مللي أمبير/سم² والاحتفاظ بـ 96% من الكفاءة الأولية بعد 500 ساعة من اختبار MPPT.

بالنظر إلى المستقبل، لا يزال هناك الكثير لتحسينه. يمكن تحسين النسيج الخلفي والعاكس البصري بشكل أكبر لتقوية حبس الضوء في الخلية السفلية من السيليكون، ورفع تيارها، وتحقيق مطابقة التيار. تظل FF و Voc من العوائق التي تحد من الكفاءة الكلية، لذا تحتاج استراتيجيات تهيئة التلامس إلى مزيد من التعمق. كما يجدر تجربة بنى بينية بديلة مثل الوصلات النفقية القائمة على السيليكون. عندما يتعلق الأمر بالتوسع إلى الإنتاج، يجب ضبط سُمك TCO وتصميم شبكة المعدنة معًا، بحيث لا يكون التظليل ثقيلًا جدًا على المساحات الكبيرة ولا يتأثر التوصيل الجانبي. ومع طبقة أرق، ينخفض استخدام الإنديوم، مما يفيد الاستدامة أيضًا.

رؤية Ooitech

ما يلفت النظر هنا هو أن بضعة نانومترات من ITO يمكنها التأثير على كل من البصريات والتبلور على نسيج الهرم البالغ 600 نانومتر، وأن مشكلة التغطية المطابقة نفسها هي بالضبط ما يظهر عندما تنتقل خطوط الترادف من العينات المختبرية إلى الوحدات كاملة الحجم. في أرضية الإنتاج، يجب أن تراعي خطوات آلة التبويب والربط والتجميع والتصفيح هذه الواجهات الهشة بين الوصلات وطبقات SAM، وهنا تكمن قيمة معدات خط الوحدات الموحدة والمضبوطة جيدًا. إذا كنت تريد رؤية كيف تبدو هذه العمليات على نطاق المصنع الحقيقي، فإن قناة Ooitech على يوتيوب عند www.youtube.com/ooitech تستحق المتابعة.