26,2 % zertifizierter Effizienzdurchbruch bei großflächigen All-Perowskit-Tandemmodulen: Der In₂O₃-Nanokristall-Tunnelrekombinationsübergang

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 ernsthaft behindert. Während kleine Geräte bereits eine Effizienz von über 30 % erreicht haben, stagnieren großflächige Module (≥20 cm²) seit langem bei etwa 24,5 %. Die Hauptursachen sind die starke nahinfrarote parasitäre Absorption und die thermische Grenzflächeninstabilität der Au/PEDOT:PSS-Struktur in herkömmlichen Gold-basierten Tunnelrekombinationsübergängen (TRJs) sowie der verschlechterte Ladungstransport in großflächigen Pb-Sn-Perowskit-Filmen aufgrund ungleichmäßiger Kristallisation beim Rakelbeschichten.

Diese Studie entwickelt eine lösungsprozessierte TRJ, die auf oberflächenmodifizierten In₂O₃-Nanokristallen aufbaut. Durch Anpassung 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 Löcherextraktion zu steigern 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 letztlich 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 der neuen TRJ

Die Arbeit schlägt eine lösungsprozessierte Alternative vor: eine neue TRJ (Typ III), die aus oberflächenmodifizierten Indiumoxid-Nanokristallen (In₂O₃ NCs) aufgebaut ist. Sie wird systematisch mit der konventionellen Au/PEDOT:PSS Typ I-Struktur und einer Typ II-Struktur auf Basis kommerzieller ITO-Nanokristalle 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 starke parasitäre Absorptionsverluste verursacht, während der In₂O₃ NC-Film hoch optisch transparent ist. Bei 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 Ausgangswirkungsgrads beibehielten. Auf einem 10×10 cm² Substrat zeigten blattbeschichtete 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 der TRJ behoben 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 nachhinkt, 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 die kritische Übersättigung und beschleunigt die Keimbildung 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.

Oberflächenliganden-Engineering und Energielevel-Anpassung

Nach Entfernung 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 adressieren, implementierte die Studie eine duale synergistische Optimierungsstrategie:

Oberflächenliganden-Engineering zur Abstimmung der Energielevel

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 Löcherextraktion 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 das optimierte Energielevel-Alignment 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 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 Energieleveln der In₂O₃-NCs passt. Die resultierende HTL-freie Einzelzelle aus Pb-Sn erreichte 23 % Effizienz, während ein mit dem Blade-Coating hergestelltes Bauteil mit In₂O₃-MMPA-NCs als Lochtransportschicht (HTL) eine Effizienz von 24,0 % im Rückwärtsscan 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 maßgeblich die Filmkristallisation und Defektpassivierung:

Kristallisationskontrolle und Defektunterdrückung

Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte, dass nach HSM-Dotierung die dendritischen Verunreinigungen, die ursprünglich Korngrenzen im Pb-Sn-Film durchzogen, 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. Flüssig-¹H-NMR zeigte ferner, 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 vollständiges Perowskit-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 den zuvor berichteten Modul-Engpass von unter 15 mA cm⁻².

In Bezug auf die Zuverlässigkeit erreichte das verkapselte Typ-III-Modul gemäß der Norm 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 Dampf-Hitze-Test (85 °C/85 % relative Luftfeuchtigkeit, 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 % seiner 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/Grenzflächen-HSM-Engineering gelang in dieser Arbeit ein zertifizierter Wirkungsgrad von 26,2 % für ein All-Perowskit-Tandem-Solarmodul mit einer Aperturfläche von 65 cm², was umfassende Durchbrüche in Modulgröße, Effizienz und Betriebsstabilität erzielte. Die Arbeit zeigt eindrucksvoll das Kommerzialisierungspotenzial der All-Perowskit-Tandem-Photovoltaik-Technologie. Für die Zukunft erfordert die Vergrößerung der Modulfläche über 800 cm² eine synergistische Optimierung der Abscheideprozesse wie Schlitzdüsenbeschichtung zusammen mit Methoden wie vakuumunterstützter Kristallisation, um eine qualitativ hochwertige, gleichmäßige Herstellung großflächiger Breit- und Schmalband-Subzellen zu gewährleisten.

Referenz- und Testausrüstung

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 Ausgangseigenschaften von Perowskitzellen 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 All-Perowskit-Tandem-Solarmodule

Ooitechs Ansicht

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