Giới thiệu sản phẩm

Pin mặt trời song song monolithic perovskite/silicon là một trong những con đường rõ ràng nhất vượt qua giới hạn hiệu suất của các thiết bị đơn tiếp giáp. Pin trên và pin dưới được kết nối nối tiếp thông qua một lớp kết nối tái tổ hợp, và chất lượng của giao diện đó quyết định liệu các hạt tải điện có thể được vận chuyển và tái tổ hợp một cách trơn tru hay không. Vấn đề nằm ở bề mặt kết cấu vi hình chóp của pin dưới silicon dị tiếp giáp (SHJ). Các hình chóp cao khoảng 600 nm, và trên địa hình đó, lớp tái tổ hợp bị tổn thất quang học ký sinh trong khi lớp đơn tự lắp ráp (SAM) không bao giờ lan đều. Theo thời gian, điều này làm giảm hiệu suất thiết bị.

Nghiên cứu này đã đo các lớp kết nối indium tin oxide (ITO) có độ dày từ 2 đến 30 nm và phát hiện rằng lớp siêu mỏng 8 nm hoạt động tốt nhất trên hai mặt cùng lúc: giảm tổn thất quang học và cải thiện tính đồng nhất điện thế bề mặt. Sau khi xếp chồng biến tính NiOx và chức năng hóa Poly-SAM lên trên, mật độ dòng ngắn mạch tăng 0,85 mA cm⁻² lên 20,82 mA cm⁻², hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 31,80%, và sau 500 giờ theo dõi điểm công suất tối đa, thiết bị vẫn giữ 96% hiệu suất ban đầu.

Phương pháp thực nghiệm

Pin dưới SHJ sử dụng đế silicon loại n, dày 110 ± 10 µm, được tạo kết cấu hai mặt bằng KOH thành các hình chóp cao khoảng 600 nm. Sau khi làm sạch RCA, PECVD lắng đọng các lớp thụ động và pha tạp theo thứ tự: mặt trước nhận 8 nm a-Si:H(i) vô định hình nội tại cộng với 15 nm nc-SiOx:H(n) loại n, mặt sau nhận 8 nm a-Si:H(p) loại p, sau đó phún xạ 110 nm ITO và bay hơi 700 nm Ag ở mặt sau. Ở mặt trước, sáu độ dày lớp kết nối ITO được lắng đọng riêng biệt: 2, 5, 8, 10, 20 và 30 nm, ủ ở 180°C và khắc laser.

Tế bào trên cùng perovskite đi theo lộ trình này. Tế bào dưới cùng được ủ và xử lý UV-ozone trước, sau đó NiOx được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ magnetron, tiếp theo là một bước ủ và UV-ozone khác. Bên trong hộp găng tay nitơ, Poly-SAM được phủ quay (0,5 mg mL⁻¹, dung môi methanol và chlorobenzene tỷ lệ 1:1) và ủ ở 100°C. Perovskite là Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ với độ rộng vùng cấm 1,68 eV, được phủ quay hai bước, với chlorobenzene nhỏ giọt làm dung môi chống kết tinh trong giai đoạn tốc độ cao và nung ở 100°C trong 20 phút. Bề mặt được điều chỉnh bằng PDADI, sau đó C₆₀ được bay hơi nhiệt, SnO₂ được phát triển bằng ALD, IZO 45 nm được phún xạ, điện cực Ag được bay hơi, và cuối cùng một màng chống phản xạ MgF₂ được phủ lên trên cùng.

Ưu điểm kỹ thuật

Tính chất quang điện tử của lớp kết nối ITO

(a) Rsh, Ne và µ theo độ dày (n = 10); (b) độ hấp thụ và phản xạ quang học của lớp ITO; (c) hàm công theo độ dày; (d) sự thay đổi hàm công (ΔWF) trước và sau xử lý NiOx ở các độ dày khác nhau; (e) sơ đồ phân bố SAM trên ITO biến tính NiOx; (f) bản đồ thế bề mặt KPFM của ITO kết nối 2–30 nm; (g) bản đồ thế bề mặt KPFM của ITO kết nối 8 nm trước và sau khi chức năng hóa NiOx và Poly-SAM.

Các phép đo hiệu ứng Hall cho thấy điện trở suất tấm giảm khi độ dày màng tăng, điều mà bạn có thể mong đợi. Nồng độ hạt tải duy trì khá ổn định giữa 8 và 30 nm, khoảng 2,8 đến 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, nhưng khi xuống dưới 8 nm, nó bắt đầu giảm. Độ linh động chỉ giảm nhẹ trong khoảng hẹp 2 đến 8 nm, một dấu hiệu cho thấy tính toàn vẹn của màng vẫn còn nguyên vẹn. 8 nm nằm ngay tại điểm tối ưu nơi điện trở suất tấm đủ thấp và hiệu suất điện chưa bị suy giảm.

(a) Phổ XPS O 1s phân giải cao đã khớp đỉnh của lớp ITO trên bề mặt tế bào dưới c-Si có kết cấu. (b) Phổ XPS phân giải cao của lớp ITO 8 nm trên tế bào dưới c-Si có kết cấu trước và sau khi biến tính NiOx. (c) Ảnh SEM mặt cắt ngang của lớp ITO 8 nm trên tế bào dưới c-Si có kết cấu. (d) Bản đồ nguyên tố EDS tương ứng của vùng tập trung của mẫu ITO 8 nm, với chú thích màu-nguyên tố ở góc trên bên phải.

Về mặt quang học, việc làm mỏng ITO đã kéo giảm cả phản xạ và hấp thụ xuống dưới 450 nm, nhờ giao thoa triệt tiêu cộng với sự hấp thụ hạt tải tự do yếu hơn.

• UPS cho thấy hàm công tăng khi độ dày giảm, và sau khi biến tính NiOx và ủ, đỉnh hàm công dịch chuyển ở 8 nm.

• Quét diện tích KPFM cho thấy ITO dưới 10 nm đã triệt tiêu tất cả các điểm shunt cục bộ, với 8 nm cho độ đồng đều tốt nhất.

• XPS phát hiện một chi tiết thú vị: bề mặt ITO 8 nm có mật độ hydroxyl cao hơn so với ITO 20 nm, và các hydroxyl này hình thành liên kết cầu In─O─Ni với NiOx, giúp NiOx lan tỏa đều hơn và bám chắc hơn. Sau khi biến tính, tín hiệu In biến mất hoàn toàn, chứng tỏ chất lượng lớp phủ rất tốt và tạo nền tảng vững chắc cho quá trình tự lắp ráp SAM tiếp theo.

• SEM và EDS cũng xác nhận ITO 8 nm phủ phù hợp trên bề mặt kết cấu.

Hiệu suất quang điện của pin mặt trời song song

(a) Biến thiên Jsc trong pin song song perovskite/silicon; (b) biến thiên Voc; (c) biến thiên FF; (d) biến thiên PCE; (e) ảnh SEM mặt cắt ngang của pin song song trên ITO; (f) giản đồ XRD của màng perovskite trên ITO; (g) phổ PL trạng thái ổn định của màng perovskite trên ITO; (h) đường cong PL trạng thái ổn định đã chuẩn hóa; (i) phổ suy giảm TRPL nhất thời của màng perovskite trên ITO; (j) ảnh phát quang của pin song song, diện tích hoạt động 0.928 cm².

Tất cả sáu độ dày lớp kết nối ITO đều được kiểm tra J-V.

• Dưới 5 nm, Voc và FF giảm mạnh. Voc không thể vượt quá 1,7 V và PCE chỉ đạt 21,68%, chủ yếu do màng đã không liên tục trên bề mặt kết cấu hình chóp.

• 8 nm là đáp án tốt nhất. SEM mặt cắt ngang cho thấy hạt perovskite lớn hơn và dày đặc hơn trên ITO siêu mỏng (dưới 10 nm), và XRD xác nhận chất lượng tinh thể tốt hơn, mặc dù mẫu 5 nm xuất hiện đỉnh PbI₂, dấu hiệu suy thoái đã bắt đầu. Cường độ PL trạng thái ổn định tăng dần từ 30 nm xuống 8 nm, sau đó giảm lại, vì vậy 8 nm nằm ngay tại đỉnh, tương ứng với mật độ khuyết tật thấp nhất.

• Đỉnh đặc trưng PL chuẩn hóa không dịch chuyển, nghĩa là bản chất tái hợp không bức xạ tại mặt phân cách vẫn giữ nguyên. Thời gian sống của hạt tải TRPL cũng dài nhất ở 8 nm. Những kết quả này bắt nguồn từ lưỡng cực thuần mạnh hơn và hàm công đồng đều hơn mà Poly-SAM mang lại, nâng cao cả Voc và FF. Ảnh PL cũng phát hiện sự không đồng đều dưới micron bên trong pin phụ perovskite, nhưng lớp ITO siêu mỏng có điện trở suất ngang cao, do đó phạm vi ảnh hưởng của shunt cục bộ bị giới hạn hiệu quả và không kéo toàn bộ thiết bị xuống.

Cải thiện mật độ dòng điện

(a) Đường cong EQE của các tế bào con perovskite và silicon dưới lớp kết nối ITO 8 nm; (b) Đường cong EQE của tế bào song song ban đầu và tối ưu hóa.

Lớp IZO phía trước được đánh giá bằng chỉ số chất lượng Aw × Rsheet⁻¹, và 45 nm cho kết quả tốt nhất. Việc giảm độ dày lớp ITO kết nối từ 20 nm xuống 10 nm rồi 8 nm đã đẩy Jsc trung bình từ 19,78 lên 19,96 rồi 20,55 mA cm⁻². Mật độ dòng điện tích hợp từ EQE của các tế bào con perovskite và silicon lần lượt là 20,64 và 20,51 mA cm⁻², phù hợp với dữ liệu J-V. So với ITO 20 nm, ITO 8 nm mang lại thêm 0,06 mA cm⁻² cho tế bào con perovskite và 0,47 mA cm⁻² cho tế bào con silicon, trong đó đóng góp từ vùng hồng ngoại gần của tế bào đáy silicon tăng nhiều nhất.

Ứng dụng sản phẩm

Hiệu suất thiết bị và độ ổn định

(a) Sơ đồ cấu trúc và ảnh chụp tế bào quang điện song song perovskite/silicon; (b) ảnh SEM mặt cắt ngang của tế bào song song; (c) đường cong J-V của các tế bào con đơn tiếp xúc perovskite và silicon; (d) đường cong J-V đại diện của tế bào hiệu suất cao; (e) sự biến thiên của Rs trong các tế bào song song perovskite/silicon được chế tạo trên các lớp kết nối ITO từ 30 nm đến 2 nm; (f) kết quả thử nghiệm MPPT của tế bào song song được đóng gói dưới ánh sáng 1 mặt trời.

Khi độ dày lớp kết nối ITO được tối ưu hóa, PCE trung bình của các thiết bị song song tăng từ 28,64% lên 30,67%. Lớp ITO 2 nm có điện trở nối tiếp Rs cao tới 41,26 Ω, do đó kết nối nối tiếp về cơ bản bị phá vỡ. Rs của lớp 8 nm thấp hơn nhiều, trở kháng nội giảm và tổn thất điện áp gần điểm công suất tối đa thu hẹp lại. Về độ ổn định, tế bào song song ITO 8 nm duy trì 96% PCE ban đầu sau 500 giờ MPPT, trong khi tế bào 20 nm chỉ giữ được 90%, đưa nó vào nhóm ổn định nhất trong số các tế bào sử dụng lớp kết nối TCO/SAM. Tại sao lại ổn định như vậy? Độ phủ của Poly-SAM cao và sự kết tinh perovskite cũng được cải thiện cùng với nó.

Các vùng được phủ SAM có năng lượng bề mặt thấp, và các nhóm axit phosphonic phối hợp với Pb²⁺ và FA⁺, hướng dẫn perovskite phát triển chậm và có trật tự, do đó các hạt tinh thể lớn. Trên các vùng ITO trần không có hiệu ứng khuôn mẫu như vậy, quá trình tạo mầm diễn ra nhanh và mất trật tự, các hạt tinh thể nhỏ với nhiều ranh giới hạt. Hơn nữa, Poly-SAM thụ động hóa các liên kết không bão hòa và các lỗ trống halogenua tại bề mặt tiếp xúc, sự di chuyển halogenua bị ức chế và sự suy thoái chậm lại. Điện thế bề mặt đồng nhất do lớp ITO siêu mỏng mang lại cũng giúp ích, và với nhiều yếu tố kết hợp, tuổi thọ thiết bị tăng lên.

Thử nghiệm ổn định MPPT ở đây dựa trên đèn mô phỏng mặt trời LED cấp 3A+ làm nguồn sáng lão hóa, có thể kiểm soát nhiệt độ tế bào và môi trường xung quanh theo nhiều cách để thực hiện thử nghiệm ổn định dài hạn.

Kết luận và Triển vọng

8 nm là độ dày kết nối ITO tối ưu cho tế bào song song perovskite/silicon. Độ dày này vừa nâng cao chất lượng tinh thể perovskite vừa giảm hấp thụ ký sinh. Sau khi biến tính NiOx và chức năng hóa Poly-SAM, điện thế bề mặt trở nên đồng nhất hơn và sự dịch chuyển công thoát rõ rệt hơn. Bề mặt ITO 8 nm mang nhiều nhóm hydroxyl hơn, NiOx phân bố đều, SAM đóng gói dày đặc, và độ phủ phù hợp trên kết cấu đã được xác nhận bằng SEM và EDS. So với ITO 20 nm thông thường, thiết bị tối ưu đạt hiệu suất kỷ lục 31,80%, với Jsc tăng 0,85 mA cm⁻² và giữ được 96% hiệu suất ban đầu sau 500 giờ MPPT.

Nhìn về phía trước, vẫn còn nhiều điều để cải thiện. Kết cấu mặt sau và bộ phản xạ quang học có thể được tinh chỉnh thêm để tăng cường bẫy ánh sáng trong tế bào đáy silicon, nâng cao dòng điện của nó và đạt được sự cân bằng dòng điện. FF và Voc vẫn là các nút thắt hạn chế hiệu suất tổng thể, do đó cần đi sâu hơn vào các chiến lược thụ động hóa tiếp xúc. Các kiến trúc kết nối thay thế như tiếp giáp đường hầm dựa trên silicon cũng đáng để thử. Khi mở rộng quy mô sản xuất, độ dày TCO và thiết kế lưới kim loại hóa phải được điều chỉnh cùng nhau, sao cho trên diện tích lớn, bóng che không quá nặng và dẫn điện ngang không bị ảnh hưởng. Và với lớp mỏng hơn, lượng indium sử dụng giảm, do đó lợi ích bền vững cũng tăng.

Quan điểm của Ooitech

Điểm nổi bật ở đây là chỉ vài nanomet ITO có thể ảnh hưởng đến cả quang học và kết tinh trên kết cấu hình chóp 600 nm đó, và vấn đề phủ đồng dạng tương tự chính xác là điều xuất hiện khi các dây chuyền song song chuyển từ mẫu thử trong phòng thí nghiệm sang module kích thước đầy đủ. Trên sàn sản xuất, các bước tabber-stringer, layup và lamination đều phải tôn trọng các giao diện kết nối mỏng manh và SAM này, đó là lúc thiết bị dây chuyền module đồng đều, được điều chỉnh tốt phát huy giá trị. Nếu bạn muốn xem các quy trình này ở quy mô nhà máy thực tế, kênh YouTube Ooitech tại www.youtube.com/ooitech đáng để theo dõi.