Giới thiệu

Các mô-đun năng lượng mặt trời song song toàn perovskite được coi là ứng cử viên mạnh mẽ cho công nghệ quang điện thế hệ tiếp theo nhờ hiệu suất cao và tiềm năng chi phí thấp. Tuy nhiên, việc thương mại hóa trên diện tích lớn đã bị cản trở nghiêm trọng. Trong khi các thiết bị diện tích nhỏ đã vượt qua hiệu suất 30%, các mô-đun diện tích lớn (≥20 cm²) từ lâu đã bị mắc kẹt ở mức khoảng 24,5%. Nguyên nhân chính là sự hấp thụ ký sinh mạnh trong vùng hồng ngoại gần và sự bất ổn nhiệt tại bề mặt tiếp xúc của cấu trúc Au/PEDOT:PSS trong các điểm nối tái tổ hợp đường hầm (TRJ) dựa trên vàng thông thường, cùng với sự suy giảm vận chuyển điện tích trong màng perovskite Pb-Sn diện tích lớn do kết tinh không đồng đều trong quá trình phủ lưỡi dao.

Nghiên cứu này phát triển một TRJ chế tạo bằng dung dịch dựa trên các tinh thể nano In₂O₃ được xử lý bề mặt. Bằng cách điều chỉnh hình thái tinh thể nano và hóa học bề mặt, nhóm nghiên cứu đã đạt được độ trong suốt quang học cao, các bề mặt tiếp xúc mịn và sự sắp xếp mức năng lượng lý tưởng. Đồng thời, các chất phụ gia loại axit phosphonic được đưa vào tiền chất perovskite Pb-Sn để cải thiện tiếp xúc điện tử với lớp tái hợp In₂O₃, tăng cường khả năng chiết xuất lỗ trống và điều chỉnh động học kết tinh để giảm ứng suất dư trong màng diện tích lớn. Chiến lược kết hợp này đồng thời tăng hiệu suất tái hợp hạt mang tại điểm nối, chiết xuất điện tích và độ đồng đều màng diện tích lớn, cuối cùng đạt được hiệu suất 26,2% được chứng nhận bởi JET trên diện tích khẩu độ 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — một cột mốc quan trọng trên con đường mở rộng quy mô quang điện mặt trời song song toàn perovskite.

Thiết kế và Ưu điểm của TRJ Mới

Công trình đề xuất một giải pháp thay thế chế tạo bằng dung dịch: một TRJ mới (Loại III) được xây dựng từ các tinh thể nano indium oxit được xử lý bề mặt (In₂O₃ NCs). Nó được so sánh một cách có hệ thống với cấu trúc Loại I Au/PEDOT:PSS thông thường và cấu trúc Loại II dựa trên các tinh thể nano ITO thương mại.

Cấu trúc và đặc điểm bề mặt tiếp xúc

Các In₂O₃ NCs tự tổng hợp có kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với ITO NCs thương mại, tạo thành bề mặt tiếp xúc ẩn mịn hơn và giảm hiệu quả mật độ khuyết tật tiếp xúc. Các thử nghiệm điện cho thấy cấu trúc Loại III thể hiện hành vi tiếp xúc ohmic lý tưởng mà không có rào cản vận chuyển điện tích.

Độ ổn định quang học và nhiệt

Đặc tính quang học cho thấy PEDOT:PSS trong Loại I gây ra tổn thất hấp thụ ký sinh nghiêm trọng, trong khi màng In₂O₃ NC có độ trong suốt quang học cao. Dưới quá trình lão hóa nhiệt gia tốc ở 85°C, hiệu suất mô-đun Loại I giảm xuống dưới một nửa giá trị ban đầu trong vòng 50 giờ, trong khi Loại II và Loại III dựa trên NC vẫn giữ được khoảng 75% hiệu suất ban đầu sau 200 giờ. Trên đế 10×10 cm², màng NC phủ dao cho thấy độ hấp thụ quang học đồng đều hơn nhiều so với màng vàng mỏng bay hơi nhiệt, chứng minh đầy đủ lợi thế vốn có của các tinh thể nano chế tạo bằng dung dịch trong sản xuất có thể mở rộng.

Tối ưu hóa Chế tạo Màng Perovskite Diện tích Lớn

Khi tổn thất quang học và sự không ổn định của TRJ đã được giải quyết, việc chế tạo đồng đều các màng perovskite Pb-Sn diện tích lớn trở thành rào cản kỹ thuật tiếp theo. Các hệ dung môi DMF/DMSO thông thường có nhiệt độ sôi cao và độ bay hơi chậm, do đó động học tạo mầm của chúng bị chậm lại trong quá trình phủ dao tốc độ cao, gây khó khăn trong việc hình thành màng đồng đều trên các đế lớn.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ dung môi nhị phân dựa trên 2-methoxyethanol (2-Me) và tetrahydrofuran (THF). Với nhiệt độ sôi thấp và áp suất hơi cao, hệ thống này nhanh chóng đạt đến độ siêu bão hòa tới hạn và thúc đẩy đáng kể quá trình tạo mầm. Sử dụng hệ thống này, tốc độ phủ dao cạo của perovskite Pb-Sn đã được tăng từ 5 mm/s trong hệ DMF truyền thống lên đến 30 mm/s, mang lại cường độ phát quang (PL) đồng nhất cao và độ đồng nhất thiết bị tuyệt vời trên các đế 10×10 cm² và lớn hơn. Điều này đã giải quyết thành công thách thức động học kết tinh của lớp phủ diện tích lớn và đạt được hiệu suất sơ bộ 17,5% trên diện tích khẩu độ 65 cm².

Kỹ thuật bề mặt phối tử và căn chỉnh mức năng lượng

Sau khi loại bỏ PEDOT:PSS, tổn thất quang học giảm, nhưng điện áp mạch hở (VOC) và hệ số lấp đầy (FF) giảm, được cho là do tăng rào cản vận chuyển tại mặt phân cách và tái hợp không bức xạ giữa lớp perovskite và lớp NC. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu đã thực hiện chiến lược tối ưu hóa kết hợp kép:

Kỹ thuật bề mặt phối tử để điều chỉnh mức năng lượng

Thông qua trao đổi phối tử, MMES và MMPA được sử dụng để biến tính bề mặt của các NC In₂O₃. Phổ quang điện tử tia cực tím (UPS) cho thấy các NC In₂O₃ biến tính bằng MMPA đạt được sự uốn cong vùng năng lượng tại mặt phân cách thuận lợi với màng perovskite mục tiêu (uốn cong lên khoảng 50 meV), thúc đẩy đáng kể quá trình chiết xuất lỗ trống, trong khi biến tính bằng OAm hoặc MMES gây ra uốn cong xuống và rào cản vận chuyển. Các thử nghiệm dòng điện giới hạn điện tích không gian (SCLC) đã loại trừ bất kỳ sự can thiệp nào của phối tử lên độ linh động, xác nhận rằng lợi ích hiệu suất chủ yếu đến từ sự căn chỉnh mức năng lượng được tối ưu hóa.

Pha tạp khối với vật liệu chọn lọc lỗ trống axit phosphonic (HSM)

Nhóm nghiên cứu đã pha tạp trực tiếp các HSM axit phosphonic như MeO-2PACz vào tiền chất perovskite Pb-Sn (tối ưu ở 0,2 mol%) thay vì chỉ giới hạn ở biến tính mặt phân cách. Chiến lược pha tạp khối này tránh được vấn đề phủ SAM không đồng đều trên diện tích lớn. UPS cho thấy sau khi pha tạp HSM, công thoát của perovskite chuyển từ 5,04 eV xuống 4,81 eV, đỉnh vùng hóa trị dịch lên trên, và tính chất loại n yếu đi, phù hợp hơn với mức năng lượng của các NC In₂O₃. Tế bào Pb-Sn đơn tiếp xúc không có HTL đạt hiệu suất 23%, trong khi thiết bị phủ dao cạo sử dụng NC In₂O₃-MMPA làm lớp vận chuyển lỗ trống (HTL) đạt hiệu suất quét ngược 24,0% với JSC cao tới 33,8 mA cm⁻².

Nhiều vai trò của HSM trên màng perovskite

Vai trò của HSM vượt xa việc vận chuyển điện tích — nó ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình kết tinh màng và thụ động hóa khuyết tật:

Kiểm soát kết tinh và ức chế khuyết tật

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy sau khi pha tạp HSM, các tạp chất dạng nhánh ban đầu cắt ngang ranh giới hạt trong màng Pb-Sn đã biến mất, kích thước hạt tăng lên rõ rệt và ranh giới hạt có dạng 'hợp nhất'. GIWAXS và XRD xác nhận rằng HSM đã ức chế hiệu quả sự hình thành pha tạp chất PbI₂. ¹H NMR ở trạng thái lỏng tiết lộ thêm rằng HSM, thông qua quá trình khử proton ưu tiên, tiêu thụ các nhóm phosphonic axit tự do, do đó ngăn chặn sự khử proton axit của các cation FA⁺ và ổn định hóa học tiền chất.

Cải thiện động lực học hạt tải

Phổ hấp thụ nhất thời (TAS) cho thấy sự tái hợp không bức xạ do khuyết tật hỗ trợ đã bị ức chế đáng kể sau khi pha tạp HSM. Cường độ PL ở trạng thái ổn định tăng mạnh, thời gian sống PL trung bình kéo dài từ 1042 ns lên 1889 ns, với sự thụ động đặc biệt mạnh ở giao diện dưới, giảm hiệu quả sự bẫy điện tích tại giao diện chôn. Phổ OPTP cho thấy độ linh động hạt tải của màng mục tiêu tăng từ 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ lên 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ và chiều dài khuếch tán tăng từ 2,65 μm lên 4,78 μm, xác nhận sự cải thiện toàn diện về chất lượng màng khối.

Hiệu suất và độ ổn định của mô-đun diện tích lớn

Dựa trên các chiến lược hiệp đồng này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một mô-đun song song toàn perovskite với diện tích khẩu độ 65 cm² (14 tế bào con mắc nối tiếp). Mô-đun tốt nhất sử dụng TRJ Loại III (In₂O₃-MMPA) đạt hiệu suất thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 26,6% (quét ngược), với VOC là 30,4 V, JSC là 1,12 mA cm⁻² và FF là 78,2%. Hiệu suất ổn định được chứng nhận JET của nó đạt 26,2%, vượt trội so với mô-đun đối chứng sử dụng TRJ Loại I thông thường (24,8%). Sau khi tối ưu hóa vùng chết, hệ số lấp đầy hình học đạt 96,5%, cho hiệu suất vùng hoạt động tương đương lên tới 27,6%. Bản đồ không gian EQE cho thấy, trên 16 vị trí khác nhau, mật độ dòng tích hợp của các tế bào con trên và dưới trung bình lần lượt là 16,3 và 16,2 mA cm⁻² — phù hợp chặt chẽ với kết quả J-V và cả hai đều phá vỡ nút thắt mô-đun dưới 15 mA cm⁻² được báo cáo trước đây.

Về độ tin cậy, theo tiêu chuẩn IEC 61215:2021, module loại III được đóng gói đạt tuổi thọ T90 (giữ 90% hiệu suất ban đầu) là 771 giờ dưới theo dõi MPP liên tục 1-sun, và vẫn giữ 82,5% hiệu suất sau 1000 giờ. Trong thử nghiệm nhiệt ẩm khắc nghiệt 85°C/85% RH (ISOS-D-3), module loại III đạt tuổi thọ T84 trung bình 1000 giờ, trong khi module loại I đã giảm xuống dưới 40% hiệu suất; trong thử nghiệm chu kỳ nhiệt -40°C đến 85°C (ISOS-T-3), module loại III giữ 93% hiệu suất ban đầu sau 200 chu kỳ. Tất cả các thí nghiệm lão hóa tăng tốc đều xác nhận rằng độ ổn định vượt trội của loại III bắt nguồn từ việc loại bỏ hoàn toàn các yếu tố mất ổn định do PEDOT:PSS gây ra.

Thông qua các điểm nối tái tổ hợp tinh thể nano In₂O₃ được thiết kế bề mặt và kỹ thuật HSM khối/giao diện hiệp đồng, công trình này đã thành công đạt được chứng nhận hiệu suất 26,2% cho module năng lượng mặt trời song song toàn perovskite trên diện tích khẩu độ 65 cm², mang lại những đột phá toàn diện về kích thước module, hiệu suất và độ ổn định vận hành. Công trình này chứng minh mạnh mẽ tiềm năng thương mại hóa của công nghệ quang điện song song toàn perovskite. Nhìn về phía trước, để mở rộng diện tích module vượt quá 800 cm² sẽ cần tối ưu hóa hiệp đồng các quy trình lắng đọng như phủ khe khuôn cùng với các phương pháp như kết tinh hỗ trợ chân không, để đảm bảo chế tạo đồng nhất chất lượng cao của các tế bào con băng rộng và băng hẹp diện tích lớn.

Thiết bị tham khảo và thử nghiệm

Một máy thử MPPT perovskite tổng hợp sử dụng mô phỏng năng lượng mặt trời LED cấp A+AA+ làm nguồn lão hóa cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho nghiên cứu pin mặt trời perovskite thông qua công nghệ tiên tiến và thiết kế đa chức năng. Các thiết bị như vậy chủ yếu được sử dụng để kiểm tra độ ổn định của pin đơn nối và song song perovskite đã hoàn thiện. Vì đặc tính đầu ra của pin perovskite dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như ánh sáng và nhiệt độ, điểm công suất tối đa dao động thường xuyên. Bộ điều khiển MPPT theo dõi và khóa điểm công suất tối đa theo thời gian thực, đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ở công suất đầu ra tối ưu.

Tham khảo: Tái tổ hợp tinh thể nano cho module năng lượng mặt trời song song toàn perovskite

Quan điểm của Ooitech

Ooitech tin rằng: các điểm nối tái tổ hợp tinh thể nano In₂O₃ được thiết kế bề mặt kết hợp với kỹ thuật khối/giao diện HSM đã đẩy module song song toàn perovskite diện tích lớn lên hiệu suất chứng nhận 26,2%, đưa công nghệ này tiến gần hơn một bước quyết định đến thương mại hóa.