Einführung

All-Perowskit-Tandem-Solarmodule gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz und ihres niedrigen Kostenpotenzials als vielversprechender Kandidat für die nächste Generation der Photovoltaik-Technologie. Die großflächige Kommerzialisierung wurde jedoch stark behindert. Während kleinflächige Bauelemente bereits eine Effizienz von über 30 % erreicht haben, stagnieren großflächige Module (≥20 cm²) seit langem bei etwa 24,5 %. Die Hauptursachen sind die starke Nahinfrarot-Parasitätsabsorption und die thermische Grenzflächeninstabilität der Au/PEDOT:PSS-Struktur in konventionellen Gold-basierten Tunnelrekombinationsübergängen (TRJs) sowie der verschlechterte Ladungstransport in großflächigen Pb-Sn-Perowskit-Filmen aufgrund ungleichmäßiger Kristallisation während des Rakelbeschichtens.

Diese Studie entwickelt einen lösungsprozessierten TRJ, der auf oberflächenmodifizierten In₂O₃-Nanokristallen basiert. Durch die Abstimmung der Nanokristallmorphologie und Oberflächenchemie erzielte das Team hohe optische Transparenz, glatte Grenzflächen und eine ideale Energiebandausrichtung. Gleichzeitig wurden Phosphonsäure-Additive in den Pb-Sn-Perowskit-Vorläufer eingeführt, um den elektronischen Kontakt mit der In₂O₃-Rekombinationsschicht zu verbessern, die Loch-Extraktion zu verstärken und die Kristallisationskinetik zu steuern, um Restspannungen in großflächigen Filmen zu reduzieren. Diese kombinierte Strategie steigert gleichzeitig die Ladungsträger-Rekombinationseffizienz an der Grenzfläche, die Ladungsextraktion und die Gleichmäßigkeit großflächiger Filme und liefert letztendlich einen JET-zertifizierten Wirkungsgrad von 26,2% über eine Aperturfläche von 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Skalierung von All-Perowskit-Tandem-Photovoltaik.

Design und Vorteile des neuen TRJ

Die Arbeit schlägt eine lösungsprozessierte Alternative vor: einen neuen TRJ (Typ III), der aus oberflächenmodifizierten Indiumoxid-Nanokristallen (In₂O₃ NCs) aufgebaut ist. Er wird systematisch mit der konventionellen Au/PEDOT:PSS Typ I-Struktur und einer Typ II-Struktur basierend auf kommerziellen ITO-Nanokristallen verglichen.

Struktur und Grenzflächeneigenschaften

Die selbstsynthetisierten In₂O₃ NCs haben eine viel kleinere Partikelgröße als kommerzielle ITO NCs, bilden eine glattere vergrabene Grenzfläche und senken effektiv die Kontaktdefektdichte. Elektrische Tests zeigen, dass die Typ III-Struktur ideales ohmsches Kontaktverhalten ohne Ladungstransportbarriere aufweist.

Optische und thermische Stabilität

Optische Charakterisierung zeigt, dass PEDOT:PSS in Typ I schwere parasitäre Absorptionsverluste verursacht, während der In₂O₃ NC-Film hoch optisch transparent ist. Unter beschleunigter thermischer Alterung bei 85°C fiel der Wirkungsgrad des Typ I-Moduls innerhalb von 50 Stunden auf unter die Hälfte des Ausgangswerts, während die NC-basierten Typ II und Typ III nach 200 Stunden etwa 75% des Anfangswirkungsgrads beibehielten. Auf einem 10×10 cm² Substrat zeigten rakelbeschichtete NC-Filme eine weitaus gleichmäßigere optische Absorption als dünne thermisch aufgedampfte Au-Filme, was den inhärenten Vorteil lösungsprozessierter Nanokristalle in der skalierbaren Fertigung vollständig demonstriert.

Optimierung der Herstellung großflächiger Perowskit-Filme

Nachdem die optischen Verluste und die Instabilität des TRJ gelöst waren, wurde die gleichmäßige Herstellung großflächiger Pb-Sn-Perowskit-Filme zur nächsten technischen Hürde. Konventionelle DMF/DMSO-Lösungsmittelsysteme haben hohe Siedepunkte und eine langsame Verdampfung, sodass ihre Nukleationskinetik beim Hochgeschwindigkeits-Rakeln zurückbleibt, was die Bildung gleichmäßiger Filme auf großen Substraten erschwert.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team ein binäres Lösungsmittelsystem auf Basis von 2-Methoxyethanol (2-Me) und Tetrahydrofuran (THF). Mit seinem niedrigen Siedepunkt und hohen Dampfdruck erreicht dieses System schnell eine kritische Übersättigung und beschleunigt die Nukleation deutlich. Damit wurde die Beschichtungsgeschwindigkeit von Pb-Sn-Perowskit im Blade-Coating von 5 mm/s im traditionellen DMF-System auf 30 mm/s erhöht, was auf 10×10 cm² und größeren Substraten eine hochgleichmäßige Photolumineszenz (PL)-Intensität und hervorragende Bauteilkonsistenz liefert. Damit wurde die Herausforderung der Kristallisationskinetik bei großflächiger Beschichtung erfolgreich gelöst und eine vorläufige Effizienz von 17,5 % über eine Aperturfläche von 65 cm² erzielt.

Oberflächen-Liganden-Engineering und Energielevel-Anpassung

Nach dem Entfernen von PEDOT:PSS sanken die optischen Verluste, aber die Leerlaufspannung (VOC) und der Füllfaktor (FF) nahmen ab, was auf erhöhte Grenzflächentransportbarrieren und nichtstrahlende Rekombination zwischen dem Perowskit und der NC-Schicht zurückgeführt wurde. Um dies zu beheben, implementierte die Studie eine duale synergistische Optimierungsstrategie:

Oberflächen-Liganden-Engineering zur Abstimmung der Energieniveaus

Durch Ligandenaustausch wurden MMES und MMPA verwendet, um die Oberfläche der In₂O₃-NCs zu modifizieren. UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS) zeigte, dass MMPA-modifizierte In₂O₃-NCs eine günstige Grenzflächenbandverbiegung mit dem Ziel-Perowskitfilm erreichen (Aufwärtsverbiegung von etwa 50 meV), was die Loch-Extraktion signifikant fördert, während OAm- oder MMES-Modifikation eine Abwärtsverbiegung und eine Transportbarriere verursachten. Raumladungsbegrenzte Strommessungen (SCLC) schlossen jegliche Ligandeninterferenz auf die Mobilität selbst aus und bestätigten, dass der Leistungsgewinn hauptsächlich auf die optimierte Energielevel-Anpassung zurückzuführen ist.

Volumendotierung mit phosphonsäurebasiertem lochselektivem Material (HSM)

Das Team dotierte phosphonsäurebasierte HSMs wie MeO-2PACz direkt in den Pb-Sn-Perowskit-Vorläufer (optimiert bei 0,2 mol%) anstatt sie nur auf die Grenzflächenmodifikation zu beschränken. Diese Volumendotierungsstrategie vermeidet das Problem ungleichmäßiger SAM-Bedeckung über große Flächen. UPS zeigte, dass sich nach HSM-Dotierung die Austrittsarbeit des Perowskits von 5,04 eV auf 4,81 eV verschob, das Valenzbandmaximum anstieg und der n-Typ-Charakter abnahm, was besser zu den Energieniveaus der In₂O₃-NCs passt. Die resultierende HTL-freie Einzelzelle aus Pb-Sn erreichte 23 % Effizienz, während ein mit In₂O₃-MMPA-NCs als Lochtransportschicht (HTL) blattbeschichtetes Bauteil eine Reverse-Scan-Effizienz von 24,0 % mit einer JSC von bis zu 33,8 mA cm⁻² erzielte.

Mehrere Rollen von HSM auf den Perowskitfilm

Die Rolle von HSM geht weit über den Ladungstransport hinaus – es beeinflusst tiefgreifend die Filmkristallisation und Defektpassivierung:

Kristallisationskontrolle und Defektunterdrückung

Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte, dass nach HSM-Dotierung die dendritischen Verunreinigungen, die ursprünglich Korngrenzen im Pb-Sn-Film durchschnitten, verschwanden, die Korngröße deutlich zunahm und die Korngrenzen ein „verschmolzenes“ Aussehen annahmen. GIWAXS und XRD bestätigten, dass HSM die Bildung der PbI₂-Verunreinigungsphase wirksam unterdrückte. Flüssigkeits-¹H-NMR zeigte weiterhin, dass HSM durch bevorzugte Deprotonierung freie saure Phosphongruppen verbraucht und so deren saure Deprotonierung von FA⁺-Kationen verhindert und die Vorläuferchemie stabilisiert.

Verbesserte Ladungsträgerdynamik

Transiente Absorptionsspektroskopie (TAS) zeigte, dass die defektunterstützte nichtstrahlende Rekombination nach HSM-Dotierung deutlich unterdrückt wurde. Die stationäre PL-Intensität stieg stark an, die mittlere PL-Lebensdauer verlängerte sich von 1042 ns auf 1889 ns, mit besonders starker Passivierung an der unteren Grenzfläche, wodurch Ladungsträgerfallen an der vergrabenen Grenzfläche effektiv reduziert wurden. OPTP-Spektroskopie zeigte, dass die Ladungsträgermobilität des Zielfilms von 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ auf 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ anstieg und die Diffusionslänge von 2,65 μm auf 4,78 μm wuchs, was eine umfassende Verbesserung der Bulk-Filmqualität bestätigt.

Leistung und Stabilität von großflächigen Modulen

Aufbauend auf diesen synergistischen Strategien fertigte das Team ein vollständig perovskitisches Tandemmodul mit einer Aperturfläche von 65 cm² (14 Subzellen in Reihe). Das Champion-Modul mit dem Typ-III-TRJ (In₂O₃-MMPA) erreichte einen laborgemessenen Wirkungsgrad von 26,6 % (Rückwärtsscan), mit VOC von 30,4 V, JSC von 1,12 mA cm⁻² und FF von 78,2 %. Der JET-zertifizierte stabilisierte Wirkungsgrad erreichte 26,2 % und übertraf damit deutlich das Kontrollmodul mit dem konventionellen Typ-I-TRJ (24,8 %). Nach Optimierung der Totzone erreichte der geometrische Füllfaktor 96,5 %, was einem äquivalenten Aktivflächenwirkungsgrad von bis zu 27,6 % entspricht. EQE-Raumkartierung zeigte, dass die integrierten Stromdichten der oberen und unteren Subzellen über 16 verschiedene Positionen hinweg im Durchschnitt 16,3 bzw. 16,2 mA cm⁻² betrugen – in guter Übereinstimmung mit den J-V-Ergebnissen und beide durchbrachen das zuvor berichtete Modul-Engpass von unter 15 mA cm⁻².

In Bezug auf die Zuverlässigkeit erreichte das verkapselte Typ-III-Modul nach dem Standard IEC 61215:2021 eine T90-Lebensdauer (Beibehaltung von 90% der Anfangseffizienz) von 771 Stunden unter kontinuierlichem 1-Sonnen-MPP-Tracking und hielt nach 1000 Stunden immer noch eine Effizienz von 82,5%. Im anspruchsvollen Feuchtwärmetest bei 85°C/85% rF (ISOS-D-3) erreichte das Typ-III-Modul eine durchschnittliche T84-Lebensdauer von 1000 Stunden, während das Typ-I-Modul bereits unter 40% Effizienz gefallen war; im Temperaturwechseltest von -40°C bis 85°C (ISOS-T-3) behielt das Typ-III-Modul nach 200 Zyklen 93% der Anfangseffizienz. Alle beschleunigten Alterungsexperimente bestätigten, dass die herausragende Stabilität von Typ III auf die vollständige Beseitigung der durch PEDOT:PSS ausgelösten Instabilitätsfaktoren zurückzuführen ist.

Durch oberflächenoptimierte In₂O₃-Nanokristall-Rekombinationsübergänge und synergistisches Bulk/Interface-HSM-Engineering gelang in dieser Arbeit ein zertifizierter Wirkungsgrad von 26,2% für ein reines Perowskit-Tandem-Solarmodul über eine Aperturfläche von 65 cm², was umfassende Durchbrüche in Modulgröße, Effizienz und Betriebsstabilität erzielte. Die Arbeit demonstriert eindrucksvoll das Kommerzialisierungspotenzial der reinen Perowskit-Tandem-Photovoltaik-Technologie. Für die Zukunft erfordert die Vergrößerung der Modulfläche über 800 cm² eine synergistische Optimierung von Abscheideprozessen wie dem Schlitzdüsen-Beschichten zusammen mit Methoden wie der vakuumunterstützten Kristallisation, um eine hochwertige, gleichmäßige Herstellung großflächiger Breit- und Schmalband-Subzellen zu gewährleisten.

Referenz- und Testgeräte

Ein zusammengesetzter Perowskit-MPPT-Tester, der eine LED-Solarsimulator der Klasse A+AA+ als Alterungsquelle verwendet, bietet durch fortschrittliche Technologie und multifunktionales Design eine starke Unterstützung für die Perowskit-Solarzellenforschung. Solche Instrumente werden hauptsächlich für Stabilitätstests von fertigen Perowskit-Einzel- und Tandemzellen verwendet. Da die Ausgangskennlinien von Perowskit-Zellen leicht durch Umgebungsfaktoren wie Licht und Temperatur beeinflusst werden, schwankt der maximale Leistungspunkt häufig. Ein MPPT-Controller verfolgt und fixiert den maximalen Leistungspunkt in Echtzeit und stellt sicher, dass das System stets mit optimaler Leistung arbeitet.

Referenz: Nanokristall-gesteuerte Rekombination für reine Perowskit-Tandem-Solarmodule

Ooitech's Sicht

Ooitech ist der Ansicht: Oberflächenoptimierte In₂O₃-Nanokristall-Rekombinationsübergänge in Verbindung mit HSM-Bulk/Interface-Engineering haben großflächige reine Perowskit-Tandem-Module auf einen zertifizierten Wirkungsgrad von 26,2% gebracht und diese Technologie einen entscheidenden Schritt näher an die Kommerzialisierung herangeführt.