26,2% zertifizierter Wirkungsgrad-Durchbruch

Kurze Antwort: Ein vollständig auf Perovskit basierendes Tandem-Solarmodul hat einen zertifizierten Wirkungsgrad von 26,2 % erreicht – ein Ergebnis, das bedeutsam ist, weil vollständig auf Perovskit basierende Module die Silizium-Bodenzelle vollständig vermeiden. Das Modul erreichte eine Leerlaufspannung von etwa 2,182 V, was nahezu dem Doppelten einer Einzelübergangs-Siliziumzelle entspricht und das Kennzeichen zweier in Reihe geschalteter Übergänge ist. Die Zertifizierungstests umfassten Feuchte-Wärme-Exposition bei 85 °C und die mechanischen Anforderungen der IEC 61215, mit einer Testgeometrie der Klasse 5 mm bis 30 mm. Perovskit-Tandems sind in der Vergangenheit eher an der Stabilität als am Wirkungsgrad gescheitert, und genau das unterscheidet ein zertifiziertes Ergebnis von einem Laborrekord. Die verbleibende Lücke zur Produktion ist die Fläche: Die meisten Rekorde wurden auf kleinen Modulen erzielt, und die Skalierung einer Perovskit-Beschichtung auf ein Modul in voller Größe ohne Pinholes und Uniformitätsverlust ist ein separates technisches Problem.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Einführung

Perowskit-Tandem-Solarmodule gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz und ihres geringen Kostenpotenzials als starker Kandidat für die nächste Generation der Photovoltaiktechnologie. Die Kommerzialisierung großer Flächen wurde jedoch ernsthaft behindert. Während kleine Flächen bereits die 30-%-Effizienzmarke überschritten haben, stagnieren großflächige Module (≥20 cm²) seit langem bei etwa 24,5 %. Die Hauptursachen sind die starke parasitäre Absorption im nahen Infrarot und die thermische Instabilität der Grenzfläche der Au/PEDOT:PSS-Struktur in herkömmlichen Tunnelrekombinationsgrenzflächen auf Goldbasis sowie der verschlechterte Ladungstransport in großflächigen Pb-Sn-Perowskitfilmen, der durch ungleichmäßige Kristallisation beim Rakelbeschichten verursacht wird.

Diese Studie entwickelt eine lösungsprozessierte TRJ auf Basis oberflächenmodifizierter In₂O₃-Nanokristalle. Durch die Abstimmung der Nanokristallmorphologie und der Oberflächenchemie erzielte das Team eine hohe optische Transparenz, glatte Grenzflächen und eine ideale Ausrichtung der Energieniveaus. Gleichzeitig wurden phosphonsäureartige Additive in die Pb-Sn-Perowskit-Vorstufe eingebracht, um den elektronischen Kontakt mit der In₂O₃-Rekombinationsschicht zu verbessern, die Löcherextraktion zu erhöhen und die Kristallisationskinetik so abzustimmen, dass Restspannungen in großflächigen Filmen abgebaut werden. Diese kombinierte Strategie steigert gleichzeitig die Ladungsträgerrekombinationseffizienz an der Grenzfläche, die Ladungsextraktion und die Gleichmäßigkeit großflächiger Filme und liefert letztlich eine JET-zertifizierte Effizienz 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 der 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 herkömmlichen Au/PEDOT:PSS-Struktur (Typ I) und einer Struktur vom Typ II auf Basis kommerzieller ITO-Nanokristalle verglichen.

Struktur- und Grenzflächeneigenschaften

Die selbstsynthetisierten In₂O₃-Nanokristalle (NCs) haben eine viel kleinere Partikelgröße als kommerzielle ITO-NCs, wodurch eine glattere vergrabene Grenzfläche entsteht und die Kontaktdefektdichte effektiv gesenkt wird. Elektrische Tests zeigen, dass die Typ-III-Struktur ideales ohmsches Kontaktverhalten ohne Ladungstransportbarriere aufweist.

Optische und thermische Stabilität

Die optische Charakterisierung zeigt, dass PEDOT:PSS in Typ I schwere parasitäre Absorptionsverluste verursacht, während der In₂O₃-NC-Film hochgradig optisch transparent ist. Bei beschleunigter thermischer Alterung bei 85 °C fiel die Effizienz des Typ-I-Moduls innerhalb von 50 Stunden auf unter die Hälfte des Anfangswerts, während die NC-basierten Typ-II- und Typ-III-Module nach 200 Stunden etwa 75 % der Anfangseffizienz beibehielten. Auf einem 10×10 cm² großen 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. Herkömmliche DMF/DMSO-Lösungsmittelsysteme haben hohe Siedepunkte und eine langsame Verdampfung, sodass ihre Nukleationskinetik beim schnellen Rakelbeschichten hinterherhinkt, was die Bildung gleichmäßiger Filme auf großen Substraten erschwert.

Um dies zu lösen, entwickelte das Team ein binäres Lösungsmittelsystem auf Basis von 2-Methoxyethanol (2-Me) und Tetrahydrofuran (THF). Mit seinem niedrigen Siedepunkt und hohem Dampfdruck erreicht dieses System schnell kritische Übersättigung und beschleunigt die Nukleation deutlich. Damit wurde die Rakelbeschichtungsgeschwindigkeit für Pb-Sn-Perowskit von 5 mm/s im traditionellen DMF-System auf bis zu 30 mm/s erhöht, was hochgradig gleichmäßige Photolumineszenzintensität (PL) und hervorragende Gerätekonsistenz auf 10×10 cm² und größeren Substraten liefert. Damit wurde die Herausforderung der Kristallisationskinetik beim großflächigen Beschichten erfolgreich gelöst und eine vorläufige Effizienzvalidierung von 17,5 % über eine Aperturfläche von 65 cm² erreicht.

Oberflächenliganden-Engineering und Energielevel-Anpassung

Nach der 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 wird. Um dies zu adressieren, implementierte die Studie eine duale synergistische Optimierungsstrategie:

Oberflächenliganden-Engineering zur Abstimmung der Energieniveaus

Durch Ligandenaustausch wurden MMES und MMPA verwendet, um die Oberfläche der In₂O₃-NCs zu modifizieren. Die UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS) zeigte, dass MMPA-modifizierte In₂O₃-NCs eine günstige Grenzflächenbandverbiegung mit dem Ziel-Perowskitfilm erreichen (Aufwärtsbiegung von etwa 50 meV), was die Löcherextraktion erheblich fördert, während OAm- oder MMES-Modifikation eine Abwärtsbiegung und eine Transportbarriere verursachte. Tests mit raumladungsbegrenztem Strom (SCLC) schlossen jegliche Ligandeninterferenz auf die Mobilität selbst aus und bestätigten, dass der Leistungsgewinn hauptsächlich aus der optimierten Energieniveauausrichtung resultiert.

Volumendotierung mit phosphonsäurebasiertem Lochselektivmaterial (HSM)

Das Team dotierte phosphonsäurebasierte HSMs wie MeO-2PACz direkt in die Pb-Sn-Perowskitvorläuferlösung (optimiert bei 0,2 mol%) und beschränkte sie nicht nur auf die Grenzflächenmodifikation. Diese Volumendotierungsstrategie vermeidet das Problem ungleichmäßiger SAM-Bedeckung über große Flächen. UPS zeigte, dass sich nach der HSM-Dotierung die Austrittsarbeit des Perowskits von 5,04 eV auf 4,81 eV verschob, das Valenzbandmaximum anstieg und der n-Typ-Charakter abnahm, wodurch die Energieniveaus besser mit denen der In₂O₃-NCs übereinstimmen. Die resultierende HTL-freie Einzelübergangs-Pb-Sn-Zelle erreichte einen Wirkungsgrad von 23%, während ein mit dem Rakelverfahren beschichtetes Bauelement mit In₂O₃-MMPA-NCs als Lochtransportschicht (HTL) einen Wirkungsgrad von 24,0% (Rückwärtsabtastung) mit einer JSC von bis zu 33,8 mA cm⁻² erzielte.

Mehrere Rollen von HSM auf dem Perowskitfilm

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

Kristallisationskontrolle und Defektunterdrückung

Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte, dass nach der HSM-Dotierung die dendritischen Verunreinigungen, die ursprünglich die 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. Flüssigkeits-¹H-NMR zeigte weiterhin, dass HSM durch bevorzugte Deprotonierung freie saure Phosphonsäuregruppen verbraucht und dadurch 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 durchschnittliche PL-Lebensdauer verlängerte sich von 1042 ns auf 1889 ns, mit besonders starker Passivierung an der unteren Grenzfläche, wodurch Ladungseinfang an der vergrabenen Grenzfläche wirksam reduziert wurde. 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 Volumenfilmqualität bestätigt.

Leistung und Stabilität von Modulen großer Fläche

Aufbauend auf diesen synergistischen Strategien fertigte das Team ein Tandemmodul aus reiner Perowskit-Technologie mit einer Aperturfläche von 65 cm² (14 Teilzellen in Serie). Das beste Modul mit dem Typ-III-TRJ (In₂O₃-MMPA) erreichte einen Laboreffizienz von 26,6 % (Rückwärtsmessung) mit VOC von 30,4 V, JSC von 1,12 mA cm⁻² und FF von 78,2 %. Seine JET-zertifizierte stabilisierte Effizienz erreichte 26,2 % und übertraf damit deutlich das Kontrollmodul mit dem herkömmlichen Typ-I-TRJ (24,8 %). Nach Optimierung der toten Zone erreichte der geometrische Füllfaktor 96,5 %, was einer äquivalenten Effizienz der aktiven Fläche von bis zu 27,6 % entspricht. Die räumliche EQE-Kartierung zeigte, dass die integrierten Stromdichten der oberen und unteren Teilzellen an 16 verschiedenen Positionen durchschnittlich 16,3 bzw. 16,2 mA cm⁻² betrugen – was eng mit den J-V-Ergebnissen übereinstimmt und beide den zuvor berichteten Modul-Engpass von unter 15 mA cm⁻² durchbrechen.

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 82,5 % Effizienz. Im anspruchsvollen Feuchtwärmetest bei 85 °C/85 % relativer 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 Temperaturzyklustest 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 oberflächentechnisch entwickelte In₂O₃-Nanokristall-Rekombinationsübergänge und synergistisches HSM-Bulk-/Grenzflächen-Engineering wurde in dieser Arbeit erfolgreich ein zertifizierter Wirkungsgrad von 26,2 % für ein All-Perowskit-Tandem-Solarmodul über eine Aperturfläche von 65 cm² erreicht, was umfassende Durchbrüche bei Modulgröße, Effizienz und Betriebsstabilität liefert. Die Arbeit demonstriert eindrucksvoll das Kommerzialisierungspotenzial der All-Perowskit-Tandem-Photovoltaiktechnologie. In Zukunft erfordert die Vergrößerung der Modulfläche über 800 cm² eine synergistische Optimierung der Abscheidungsprozesse wie Slot-Die-Beschichtung zusammen mit Methoden wie vakuumunterstützter Kristallisation, um eine qualitativ hochwertige, gleichmäßige Herstellung von großflächigen Breit- und Schmalband-Subzellen zu gewährleisten.

Referenz- und Testausrüstung

Ein zusammengesetzter Perovskit-MPPT-Tester, der eine A+AA+ Grade LED Anschlussdosen-Schweißmaschine als Alterungsquelle verwendet, bietet starke Unterstützung für die Perovskit-Solarzellenforschung durch fortschrittliche Technologie und multifunktionales Design. Solche Instrumente werden hauptsächlich für Stabilitätstests von fertigen Perovskit-Einzel- und Tandemzellen verwendet. Da die Ausgangseigenschaften von Perovskit-Zellen leicht durch Umweltfaktoren 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 immer mit optimaler Leistungsabgabe arbeitet.

Referenz: Nanokristall-maßgeschneiderte Rekombination für All-Perowskit-Tandem-Solarmodule

Ooitechs Ansicht

Ooitech glaubt: Oberflächentechnisch entwickelte 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 geführt.