Đột phá hiệu suất được chứng nhận 26,2%

Câu trả lời nhanh: Một mô-đun năng lượng mặt trời tandem hoàn toàn perovskite đã đạt hiệu suất được chứng nhận 26,2%, một kết quả quan trọng vì tandem hoàn toàn perovskite tránh hoàn toàn tế bào đáy silicon. Mô-đun đã chứng minh điện áp mạch hở khoảng 2,182 V, gần gấp đôi một tế bào silicon đơn lớp và là dấu hiệu đặc trưng của hai lớp tiếp giáp mắc nối tiếp. Thử nghiệm chứng nhận bao gồm phơi nhiễm ẩm-nhiệt ở 85 °C và các yêu cầu cơ học IEC 61215, với hình học thử nghiệm loại 5 mm đến 30 mm. Tandem perovskite trước đây đã thất bại về độ ổn định chứ không phải hiệu suất, và đó là điều khiến một kết quả được chứng nhận khác với một kỷ lục trong phòng thí nghiệm. Khoảng cách còn lại để sản xuất là diện tích: hầu hết các kỷ lục đều trên các mô-đun nhỏ, và việc mở rộng lớp phủ perovskite lên một mô-đun kích thước đầy đủ mà không có lỗ kim và mất tính đồng nhất là một vấn đề kỹ thuật riêng biệt.

Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech

Giới thiệu

Các mô-đun năng lượng mặt trời tandem all-perovskite được đông đảo giới chuyên môn coi là ứng viên mạnh mẽ cho công nghệ quang điện thế hệ tiếp theo nhờ tiềm năng hiệu suất cao và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc thương mại hóa 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 vẫn bị mắc kẹt quanh mức 24,5%. Nguyên nhân chính là sự hấp thụ ký sinh mạnh trong vùng cận hồng ngoại và tính không ổn định nhiệt tại giao diện 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 các 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 được xử lý bằng dung dịch dựa trên các nanocrystal In₂O₃ được kỹ thuật hóa bề mặt. Bằng cách điều chỉnh hình thái nanocrystal và hóa học bề mặt, nhóm nghiên cứu đã đạt được độ trong suốt quang học cao, giao diện mịn và căn chỉnh mức năng lượng lý tưởng. Đồng thời, các phụ gia loại axit phosphonic đã được đưa vào tiền chất perovskite Pb-Sn để cải thiện tiếp xúc điện tử với lớp tái tổ hợp In₂O₃, tăng cường trích xuất lỗ trống và điều chỉnh động học kết tinh để giảm ứng suất dư trong các màng diện tích lớn. Chiến lược kết hợp này đồng thời thúc đẩy hiệu quả tái tổ hợp hạt tải tại điểm nối, trích xuất điện tích và độ đồng đều của màng diện tích lớn, cuối cùng mang lại hiệu suất 26,2% được chứng nhận 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 tandem all-perovskite.

Thiết kế và ưu điểm của TRJ mới

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

Đặc điểm cấu trúc và giao diện

Các In₂O₃ NC tự tổng hợp có kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với các ITO NC thương mại, tạo thành giao diện chôn vùi 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 không có rào cản vận chuyển điện tích.

Độ ổn định quang học và nhiệt

Đặc trưng 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 tăng 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, các màng NC được phủ lưỡi dao cho thấy sự hấp thụ quang học đồng đều hơn nhiều so với các màng Au mỏng bay hơi nhiệt, chứng minh đầy đủ lợi thế vốn có của nanocrystal được xử lý bằng dung dịch trong sản xuất có thể mở rộng quy mô.

Tối ưu hóa chế tạo màng perovskite diện tích lớn

Sau khi giải quyết tổn thất quang học và tính không ổn định của TRJ, 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 điểm sôi cao và bay hơi chậm, do đó động học tạo mầm của chúng bị chậm lại trong quá trình phủ lưỡi dao tốc độ cao, khiến khó tạo thành màng đồng đều trên 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 điểm sôi thấp và áp suất hơi cao, hệ này nhanh chóng đạt đến độ siêu bão hòa tới hạn và tăng tốc đáng kể quá trình tạo mầm. Sử dụng nó, tốc độ phủ lưỡi dao perovskite Pb-Sn đã được nâng từ 5 mm/s trong hệ DMF truyền thống lên tới 30 mm/s, mang lại cường độ quang phát quang (PL) rất đồng đều và độ nhất quán 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 phủ diện tích lớn và đạt được xác nhận hiệu suất sơ bộ 17,5% trên diện tích khẩu độ 65 cm².

Kỹ thuật phối tử bề mặt 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 giao diện và tái tổ hợp không bức xạ giữa perovskite và lớp NC. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu đã triển khai chiến lược tối ưu hóa hiệp lực kép:

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

Thông qua trao đổi phối tử, MMES và MMPA đã được sử dụng để biến đổi bề mặt của các In₂O₃ NC. Quang phổ quang điện tử tử ngoại (UPS) cho thấy các In₂O₃ NC được biến đổi bằng MMPA đạt được uốn cong dải giao diện thuận lợi với màng perovskite mục tiêu (uốn cong lên khoảng 50 meV), thúc đẩy đáng kể việc trích xuất lỗ trống, trong khi biến đổi bằng OAm hoặc MMES gây uốn cong xuống và tạo rào cản vận chuyển. Các thử nghiệm dòng điện giới hạn bởi điện tích không gian (SCLC) đã loại trừ bất kỳ ảnh hưởng nào của phối tử lên độ linh động, xác nhận rằng lợi ích hiệu suất chủ yếu xuất phát từ căn chỉnh mức năng lượng được tối ưu hóa.

Pha tạp khối bằng 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 giới hạn chúng ở biến đổi giao diện. 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, hàm công của perovskite dịch chuyển từ 5,04 eV xuống 4,81 eV, cực đại dải hóa trị dịch chuyển lên, và tính chất loại n yếu đi, phù hợp hơn với các mức năng lượng của In₂O₃ NC. Tế bào Pb-Sn đơn kết nối không có HTL thu được đạt hiệu suất 23%, trong khi thiết bị phủ lưỡi dao sử dụng In₂O₃-MMPA NC 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 vận chuyển điện tích — nó ảnh hưởng sâu sắc đến 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 vốn cắt ngang các biên hạt trong màng Pb-Sn đã biến mất, kích thước hạt tăng rõ rệt, và các biên hạt mang hình thái "hợp nhất". GIWAXS và XRD xác nhận rằng HSM đã ức chế hiệu quả sự hình thành pha tạp chất PbI₂. Phổ ¹H NMR trạng thái lỏng tiếp tục tiết lộ rằng HSM, thông qua quá trình khử proton ưu tiên, tiêu thụ các nhóm phosphonic axit tự do, từ đó ngăn chặn quá trình khử proton axit của chúng đối với các cation FA⁺ và ổn định hóa học tiền chất.

Cải thiện động học hạt tải

Phổ hấp thụ thoáng qua (TAS) cho thấy tái hợp không bức xạ hỗ trợ bởi khuyết tật đã bị ức chế rõ rệt sau khi pha tạp HSM. Cường độ PL trạng thái ổn định tăng mạnh, thời gian sống PL trung bình kéo dài từ 1042 ns lên 1889 ns, với sự thụ động hóa đặc biệt mạnh ở giao diện đáy, giảm hiệu quả việc bẫy điện tích tại giao diện bị chôn vùi. 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 độ 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 trợ này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một mô-đun tandem all-perovskite với diện tích khẩu độ 65 cm² (14 tế bào con mắc nối tiếp). Mô-đun tốt nhất sử dụng TRJ Type 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 bởi JET của nó đạt 26,2%, vượt trội rõ rệt so với mô-đun đối chứng sử dụng TRJ Type I thông thường (24,8%). Sau khi tối ưu hóa vùng chết, hệ số lấp đầy hình học đạt 96,5%, cho hiệu suất diện tích hoạt động tương đương cao 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 lần lượt đạt trung bình 16,3 và 16,2 mA cm⁻² — khớp chặt chẽ với kết quả J-V và cả hai đều phá vỡ nút thắt mô-đun dưới 15 mA cm⁻² đã được báo cáo trước đây.

Về độ tin cậy, theo tiêu chuẩn IEC 61215:2021, mô-đun Type III được đóng gói đạt thời gian sống T90 (giữ 90% hiệu suất ban đầu) là 771 giờ dưới theo dõi MPP liên tục 1-sun, và vẫn giữ hiệu suất 82,5% sau 1000 giờ. Trong thử nghiệm nhiệt ẩm khắc nghiệt 85°C/85% RH (ISOS-D-3), mô-đun Type III đạt thời gian sống T84 trung bình 1000 giờ, trong khi mô-đun Type I đã giảm xuống dưới 40% hiệu suất; trong thử nghiệm chu kỳ nhiệt từ -40°C đến 85°C (ISOS-T-3), mô-đun Type III giữ được 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 Type III xuất phát từ việc loại bỏ hoàn toàn các yếu tố mất ổn định do PEDOT:PSS gây ra.

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

Tài liệu tham khảo và thiết bị thử nghiệm

Máy kiểm tra MPPT perovskite composite sử dụng đèn LED cấp A+AA+ máy mô phỏng mặt trời làm nguồn lão hóa, mang lại sự hỗ trợ mạnh mẽ cho nghiên cứu pin mặt trời perovskite thông qua công nghệ tiên tiến và thiết kế đa chức năng. Những thiết bị này chủ yếu được sử dụng để kiểm tra độ ổn định của pin perovskite đơn kết và pin tandem 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 cực đại thường xuyên dao động. Bộ điều khiển MPPT theo dõi và khóa điểm công suất cực đại theo thời gian thực, đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ở mức công suất đầu ra tối ưu.

Tài liệu tham khảo: Tái hợp được điều chỉnh bằng tinh thể nano cho mô-đun năng lượng mặt trời tandem all-perovskite

Quan điểm của Ooitech

Ooitech tin rằng: các điểm nối tái hợp tinh thể nano In₂O₃ được kỹ thuật hóa bề mặt kết hợp với kỹ thuật HSM khối/giao diện đã đưa các mô-đun tandem all-perovskite diện tích lớn đạt hiệu suất được chứng nhận 26,2%, đưa công nghệ này tiến một bước quyết định gần hơn tới thương mại hóa.