Hiệu suất 33,25%, duy trì MPPT 96% sau 1000 giờ: Lớp kép SnOx/AZO toàn ALD ức chế phản ứng bề mặt trong pin mặt trời perovskite/silicon ghép tầng
Giới thiệu sản phẩm
Pin tandem perovskite/silicon đã đạt hiệu suất 35%. Vấn đề là độ ổn định. Các thiết bị này vẫn còn xa mới đáp ứng được yêu cầu thương mại hóa với tuổi thọ 25 năm, và nguyên nhân gốc rễ nằm ở các giao diện. Điện tích tích tụ ở đó, và sự tích tụ này kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử và sự di chuyển ion.
Lớp vận chuyển điện tử ALD-SnOx được sử dụng rộng rãi gặp phải sự đánh đổi về độ dày do điện trở suất cao. Quá dày, điện trở nối tiếp tăng. Quá mỏng, nó không thể chặn được hư hại do phún xạ hoặc khuếch tán ion. Để nghiên cứu điều này, một máy đo MPPT composite perovskite sử dụng bộ mô phỏng mặt trời LED cấp AAA làm nguồn sáng lão hóa có thể kiểm soát nhiệt độ tế bào theo nhiều cách và quản lý môi trường xung quanh, chạy các thử nghiệm độ ổn định dài hạn.
Công trình này xây dựng một lớp kép SnOx/AZO thông qua quy trình toàn ALD. Một lớp SnOx siêu mỏng duy trì sự căn chỉnh dải năng lượng, trong khi lớp AZO dẫn điện tạo ra một đường dẫn điện trở thấp và hoạt động như một rào cản dày đặc. Điều đó tách biệt việc thu thập điện tích và chặn vật lý thành hai công việc riêng biệt. Các pin perovskite đơn nối với dải rộng sử dụng cấu trúc này đạt hiệu suất 23,47%, và các thiết bị tandem đạt 33,25%. Sau 1000 giờ chiếu sáng liên tục, chúng vẫn giữ được 96% hiệu suất ban đầu, điều này củng cố chiến lược giao diện.
Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của Máy đo MPPT Composite Perovskite
| Tham số | Thông số kỹ thuật |
|---|---|
| Cấp độ nguồn sáng | Bộ mô phỏng mặt trời LED A+AA+ (3A+) |
| Tuổi thọ nguồn sáng | 10.000 h+ |
| Đầu ra quang phổ (có thể điều chỉnh) | 350-400nm / 400-750nm / 750-1150nm, điều khiển độc lập |
| Buồng môi trường | Tùy chọn nhiệt độ & độ ẩm không đổi, đáp ứng tiêu chuẩn ISOS |
| Tải điện tử | Nhiều mô hình, vận hành độc lập đa kênh |
| Ứng dụng | Kiểm tra độ ổn định của pin mặt trời đơn tiếp xúc và pin tandem perovskite |
Ưu điểm kỹ thuật
Chế tạo lớp kép ALD và hiệu suất điện
Các thử nghiệm đơn tiếp xúc cho thấy SnOx hoạt động tốt nhất ở 150 chu kỳ. Tăng độ dày làm tăng điện trở nối tiếp và giảm hệ số lấp đầy. Để giảm giới hạn điện trở suất, các tác giả đã thêm một lớp xen AZO được chế tạo bằng ALD. Hai cấu trúc được so sánh: SnOx 250 chu kỳ so với SnOx 100 chu kỳ cộng với AZO 400 chu kỳ.
Các phép đo J-V cho thấy sự kết hợp SnOx/AZO cải thiện hiệu suất thiết bị. Phân tích mức năng lượng cho thấy đáy vùng dẫn giảm dần từ SnOx sang AZO sang IZO, tạo thành sự sắp xếp vùng năng lượng dạng bậc thang thuận lợi hơn, làm giảm rào cản chiết xuất tại mặt phân cách. c-AFM cho thấy SnOx/AZO và AZO nguyên chất dẫn điện tốt hơn nhiều so với SnOx nguyên chất. KPFM cho thấy điện thế bề mặt đồng đều hơn và mật độ khuyết tật thấp hơn trên màng perovskite SnOx/AZO. Phổ hấp thụ nhất thời xác nhận tốc độ chiết xuất hạt tải nhanh hơn với SnOx/AZO.
Lớp ALD ức chế sự suy thoái
Sau 400 giờ lão hóa ở 85°C dưới ánh sáng, các mẫu SnOx cho thấy hấp thụ chì iodua mạnh hơn trong UV-vis, đỉnh nhiễu xạ Pb⁰ kim loại trong XRD, và các lỗ trống tại mặt phân cách cùng mất mát khối trong SEM mặt cắt ngang. Trong các mẫu SnOx/AZO, các dấu hiệu suy thoái này yếu hơn nhiều. TOF-SIMS cho thấy sự xâm nhập mạnh của Ag vào lớp perovskite và sự khuếch tán I⁻ nghiêm trọng trong các thiết bị SnOx, trong khi các thiết bị SnOx/AZO không có sự khuếch tán ion rõ ràng.
Sau 7 ngày ở độ ẩm 85% RH, màng phủ SnOx phát triển pha δ màu vàng, nhưng SnOx/AZO vẫn giữ màu đen. Các phép đo PLQY cho thấy tổn thất tái hợp không bức xạ thấp hơn và khả năng duy trì PLQY cao hơn sau khi lão hóa đối với SnOx/AZO. KPFM cho thấy mật độ khuyết tật bề mặt tăng mạnh ở mẫu SnOx đã lão hóa, trong khi SnOx/AZO hầu như không thay đổi.
Ứng dụng sản phẩm
Hiệu suất và độ ổn định của pin đơn tiếp xúc
Trong các thiết bị đơn tiếp xúc với cấu trúc ITO / NiOx / Me-4PACz / perovskite / C60 / lớp ALD / Ag, pin SnOx/AZO đạt hiệu suất kỷ lục 23,47%, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², với độ trễ giảm rõ rệt. Mật độ dòng tích hợp EQE là 21,62 mA/cm², cao hơn so với 20,92 mA/cm² của thiết bị SnOx. Công suất đầu ra ổn định là 23,12%. Năng lượng Urbach là 13,11 meV, thấp hơn so với 16,38 meV của thiết bị SnOx.
Về độ ổn định, sau 1100 giờ lão hóa tối ở 85°C, SnOx/AZO duy trì trên 90% hiệu suất ban đầu, trong khi SnOx giảm xuống 85% sau 600 giờ. Dưới 85°C có chiếu sáng, SnOx/AZO giữ trên 80% sau 300 giờ, trong khi SnOx giảm dưới 60% sau 200 giờ. Trong thử nghiệm MPPT, SnOx/AZO duy trì 96% sau 2000 giờ, trong khi SnOx giảm xuống 80% sau 700 giờ.
Hiệu suất và độ ổn định của pin song song
Lớp kép ALD được tích hợp vào thiết bị song song perovskite/TOPCon silicon. HAADF-STEM cho thấy lớp kép liên tục, dày đặc với SnOx khoảng 10 nm và AZO khoảng 60 nm, không có lỗ kim hay bong tróc. HR-TEM xác nhận SnOx là vô định hình, và EDS cho thấy sự phân bố Zn đồng đều trong AZO.
Thiết bị song song đạt hiệu suất 33,25%, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, hầu như không có độ trễ. EQE cho thấy dòng quang điện của pin trên và dưới lần lượt là 20,43 và 20,40 mA/cm², khớp tốt. Công suất ổn định đầu ra là 32,38%.
Sau 1000 giờ lão hóa nhiệt ở 85°C, SnOx/AZO duy trì trên 90% hiệu suất, trong khi SnOx giảm dưới 90% trong vòng 400 giờ. Trong thử nghiệm ẩm nóng (double 85), SnOx/AZO duy trì trên 92% sau 400 giờ, trong khi SnOx giảm dưới 80% trong vòng 200 giờ. Sau 1000 giờ chiếu sáng liên tục, SnOx/AZO duy trì trên 96%, trong khi SnOx giảm dưới 80% trong vòng 300 giờ.
Tóm tắt cơ chế
Lợi thế của lớp kép SnOx/AZO đến từ hai điều. Lớp phủ AZO dẫn điện tăng tốc độ chiết xuất electron và cắt giảm sự tích tụ điện tích tại mặt phân cách, từ đó ngăn chặn sự suy thoái mặt phân cách do phản ứng. Đồng thời, lớp kép dày đặc hoạt động như một rào cản ion và độ ẩm hiệu quả, ngăn chặn sự ăn mòn bạc do iodide và sự di chuyển Ag⁺ vào perovskite. Chiết xuất electron nhanh hơn kết hợp với chặn ion vật lý tạo ra cơ chế "tách rời chức năng", do đó hai hiệu ứng củng cố độ bền của thiết bị cùng nhau.
Nghiên cứu này sử dụng lớp kép SnOx/AZO toàn ALD để ngăn chặn sự suy thoái do phản ứng mặt phân cách trong pin song song perovskite/silicon. Lớp kép kết hợp sự căn chỉnh dải tốt của SnOx với độ dẫn điện cao và chức năng rào cản dày đặc của AZO, cắt giảm sự tích tụ điện tích và ngăn chặn sự khuếch tán ion và xâm nhập độ ẩm. Thiết bị đơn tiếp xúc đạt hiệu suất 23,47%, thiết bị song song đạt 33,25%, và cả hai đều duy trì trên 96% hiệu suất ban đầu sau 1000 giờ MPPT. Điều này cho thấy tầm quan trọng trung tâm của kỹ thuật mặt phân cách trong việc xây dựng pin mặt trời song song perovskite/silicon hiệu suất cao, ổn định, và chỉ ra một con đường thực tế hướng tới các tế bào vừa hiệu quả vừa bền bỉ.
Bộ kiểm tra MPPT composite perovskite, được xây dựng xung quanh bộ mô phỏng năng lượng mặt trời LED A+AA+ làm nguồn sáng lão hóa, hỗ trợ mạnh mẽ cho nghiên cứu pin mặt trời perovskite. Vì pin perovskite rất nhạy cảm với ánh sáng và nhiệt độ, điểm công suất tối đa của chúng liên tục thay đổi. Bộ điều khiển MPPT theo dõi và khóa điểm đó trong thời gian thực, do đó hệ thống luôn hoạt động ở công suất tốt nhất. Điều này tối đa hóa sản lượng năng lượng và cải thiện độ ổn định cũng như tính kinh tế của toàn bộ hệ thống PV.
Tham khảo: Ức chế phản ứng bề mặt trong pin mặt trời ghép Perovskite/Silicon thông qua lớp kép SnOx/AZO toàn ALD
Quan điểm của Ooitech
Điểm nổi bật ở đây là ý tưởng "tách chức năng", cho phép một lớp mỏng xử lý căn chỉnh dải năng lượng và một lớp khác xử lý chặn, thay vì buộc một màng SnOx duy nhất phải làm cả hai việc và mất đi một trong số chúng. Về mặt sản xuất, độ đồng đều của chồng lớp ALD trên toàn bộ mô-đun kích thước đầy đủ chính xác là nơi kiểm soát dây chuyền và đo lường có ý nghĩa, và đó là loại chi tiết quy trình mà chúng tôi tập trung khi xây dựng dây chuyền mô-đun. Nếu bạn muốn xem thêm về cách sản xuất mô-đun perovskite và ghép thực sự diễn ra trên sàn nhà máy, kênh YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) đáng để theo dõi.
