33,25% Wirkungsgrad, 96% MPPT-Erhalt nach 1000 Stunden:

Kurze Antwort: Eine Perowskit-Silizium-Tandemzelle hat einen Wirkungsgrad von 33,25 % erreicht und nach 1000 Stunden Test noch 96 % ihres maximalen Leistungspunkts behalten. Diese Kombination ist der Punkt: Tandem-Wirkungsgradrekorde sind nicht mehr die Einschränkung, die Stabilität ist es. Die Zelle stapelt einen Perowskit-Top-Übergang über einen Silizium-Bottom-Übergang, sodass jeder den Teil des Spektrums absorbiert, den er am besten umwandelt, was den Wirkungsgrad weit über die Obergrenze von etwa 27 % einer Einzelübergangs-Siliziumzelle treibt. Das Stabilitätsergebnis umfasste Feuchte-Wärme-Exposition bei 85 °C, und die Messungen verwendeten Spektralbereiche um 400 nm, 750 nm und 1150 nm. Für die Modulfertigung erzwingen Tandemzellen engere Laminierungsfenster als Silizium allein, weil die Perowskit-Schicht empfindlicher auf Feuchtigkeit und Temperatur reagiert als das darunterliegende Silizium.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Produkteinführung

Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen haben bereits einen Wirkungsgrad von 35 % erreicht. Das Problem ist die Stabilität. Diese Geräte sind noch weit von der 25-jährigen Lebensdauer entfernt, die für die Kommerzialisierung erforderlich ist, und die Ursache liegt an den Grenzflächen. Dort sammelt sich Ladung an, und diese Ansammlung löst Redoxreaktionen und Ionenwanderung aus.

Die weit verbreitete ALD-SnOx-Elektronentransportschicht stößt aufgrund ihres hohen spezifischen Widerstands auf einen Kompromiss bei der Dicke. Zu dick, und der Serienwiderstand steigt. Zu dünn, und sie kann Sputterschäden oder Ionendiffusion nicht blockieren. Um dies zu untersuchen, kann ein Perowskit-Verbund-MPPT-Tester mit einer AAA-Grade-LED Anschlussdosen-Schweißmaschine als Alterungslichtquelle die Zelltemperatur auf verschiedene Weise steuern und die Umgebung verwalten, wodurch Langzeitstabilitätstests durchgeführt werden.

Diese Arbeit baut eine SnOx/AZO-Doppelschicht durch einen All-ALD-Prozess auf. Ein ultradünnes SnOx behält die Bandausrichtung bei, während eine leitfähige AZO-Schicht einen niederohmigen Pfad bietet und als dichte Barriere wirkt. Dadurch werden Ladungsextraktion und physikalische Blockierung in zwei getrennte Aufgaben aufgeteilt. Einfache Breitband-Perowskitzellen mit dieser Struktur erreichten einen Wirkungsgrad von 23,47 %, und Tandemgeräte erreichten 33,25 %. Nach 1000 Stunden Dauerbeleuchtung behielten sie immer noch 96 % ihrer anfänglichen Effizienz, was die Grenzflächenstrategie untermauert.

Technische Parameter

Spezifikationen des Perowskit-Verbund-MPPT-Testers

Technische Vorteile

ALD-Bilayer-Herstellung und elektrische Leistung

Einzelzellentests zeigten, dass SnOx bei 150 Zyklen am besten abschneidet. Eine dickere Schicht erhöhte den Serienwiderstand und senkte den Füllfaktor. Um die Widerstandsgrenze zu verringern, fügten die Autoren eine per ALD gewachsene AZO-Zwischenschicht hinzu. Zwei Stapel wurden verglichen: 250-Zyklen-SnOx gegenüber 100-Zyklen-SnOx plus 400-Zyklen-AZO.

J-V-Messungen zeigten, dass die SnOx/AZO-Kombination die Geräteleistung verbesserte. Die Energiebandanalyse ergab, dass die Leitungsbandkante von SnOx zu AZO zu IZO abfällt und so eine günstigere Stufenbandanordnung bildet, die die Grenzflächenextraktionsbarriere senkt. c-AFM zeigte, dass SnOx/AZO und reines AZO deutlich besser leiten als reines SnOx. KPFM zeigte ein gleichmäßigeres Oberflächenpotential und eine geringere Defektdichte auf dem SnOx/AZO-Perowskitfilm. Transiente Absorptionsspektroskopie bestätigte eine schnellere Ladungsträgerextraktion mit SnOx/AZO.

ALD-Schicht unterdrückt Degradation

Nach 400 Stunden Alterung bei 85°C unter Beleuchtung zeigten die SnOx-Proben stärkere Bleiiodid-Absorption im UV-vis, metallische Pb⁰-Beugungspeaks im XRD sowie Grenzflächenhohlräume und Massenverlust im Querschnitts-REM. Bei den SnOx/AZO-Proben waren diese Degradationserscheinungen deutlich schwächer. TOF-SIMS zeigte starkes Eindringen von Ag in die Perowskitschicht und starke I⁻-Diffusion in den SnOx-Geräten, während die SnOx/AZO-Geräte keine offensichtliche Ionendiffusion zeigten.

Nach 7 Tagen bei 85% relativer Luftfeuchtigkeit entwickelte der mit SnOx bedeckte Film eine gelbe δ-Phase, aber SnOx/AZO blieb schwarz. PLQY-Messungen zeigten geringere nicht-strahlende Rekombinationsverluste und eine höhere PLQY-Erhaltung nach der Alterung für SnOx/AZO. KPFM zeigte einen großen Anstieg der Oberflächendefektdichte bei der gealterten SnOx-Probe, während sich SnOx/AZO kaum veränderte.

Produktanwendung

Leistung und Stabilität von Einzelzellen

In Einzelzellgeräten mit der Struktur ITO / NiOx / Me-4PACz / Perowskit / C60 / ALD-Schicht / Ag erreichte der SnOx/AZO-Champion 23,47% Effizienz, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², wobei die Hysterese deutlich reduziert war. Die EQE-integrierte Stromdichte betrug 21,62 mA/cm², über der des SnOx-Geräts mit 20,92 mA/cm². Die stabilisierte Leistungsabgabe betrug 23,12%. Die Urbach-Energie lag bei 13,11 meV, unter der des SnOx-Geräts mit 16,38 meV.

Zur Stabilität: Nach 1100 Stunden Dunkelalterung bei 85°C hielt SnOx/AZO über 90% seiner Anfangseffizienz, während SnOx nach 600 Stunden auf 85% gefallen war. Unter 85°C mit Beleuchtung hielt SnOx/AZO nach 300 Stunden über 80%, während SnOx nach 200 Stunden unter 60% fiel. Im MPPT-Test hielt SnOx/AZO nach 2000 Stunden 96%, während SnOx nach 700 Stunden auf 80% fiel.

Leistung und Stabilität von Tandemzellen

Die ALD-Doppelschicht wurde in ein Perowskit/TOPCon Silizium-Tandem-Bauelement integriert. HAADF-STEM zeigte eine kontinuierliche, dichte Doppelschicht mit SnOx von etwa 10 nm und AZO von etwa 60 nm, ohne Pinholes oder Delaminierung. HR-TEM bestätigte, dass das SnOx amorph ist, und EDS zeigte eine gleichmäßige Zn-Verteilung im AZO.

Das beste Tandem-Bauelement erreichte einen Wirkungsgrad von 33,25 %, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71 %, mit fast keiner Hysterese. EQE zeigte Photoströme der oberen und unteren Zelle von 20,43 bzw. 20,40 mA/cm², eine gute Übereinstimmung. Die stabilisierte Leistungsabgabe betrug 32,38 %.

Nach 1000 Stunden thermischer Alterung bei 85 °C hielt das SnOx/AZO über 90 % Wirkungsgrad, während SnOx innerhalb von 400 Stunden unter 90 % fiel. Bei Feucht-Wärme-Tests (Doppel-85) blieb SnOx/AZO nach 400 Stunden über 92 %, während SnOx innerhalb von 200 Stunden unter 80 % fiel. Nach 1000 Stunden kontinuierlicher Beleuchtung hielt SnOx/AZO über 96 %, während SnOx innerhalb von 300 Stunden unter 80 % fiel.

Mechanismus-Zusammenfassung

Der Vorteil der SnOx/AZO-Doppelschicht beruht auf zwei Dingen. Die leitfähige AZO-Deckschicht beschleunigt die Elektronenextraktion und reduziert den Ladungsaufbau an der Grenzfläche, was die reaktionsgetriebene Grenzflächendegradation unterdrückt. Gleichzeitig wirkt die dichte Doppelschicht als effektive Barriere gegen Ionen und Feuchtigkeit, hält iodidinduzierte Silberkorrosion und die Migration von Ag⁺ in das Perowskit zurück. Schnellere Elektronenextraktion gepaart mit physikalischer Ionenblockierung ergibt einen "funktionalen Entkopplungsmechanismus", sodass die beiden Effekte die Gerätehaltbarkeit gemeinsam verstärken.

Diese Studie verwendet eine vollständig aus ALD hergestellte SnOx/AZO-Doppelschicht, um die durch Grenzflächenreaktionen getriebene Degradation in Perowskit/Silizium-Tandemzellen zu unterdrücken. Die Doppelschicht kombiniert die gute Bandanpassung von SnOx mit der hohen Leitfähigkeit und der dichten Barrierefunktion von AZO, reduziert Ladungsansammlungen und hält Ionendiffusion und Feuchtigkeitseintritt zurück. Einfachzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 23,47 %, Tandemzellen 33,25 %, und beide behielten nach 1000 Stunden MPPT über 96 % des anfänglichen Wirkungsgrads. Dies zeigt, wie zentral das Grenzflächen-Engineering für den Aufbau hocheffizienter, stabiler Perowskit/Silizium-Tandem-Photovoltaik ist, und weist auf einen realen Weg zu Zellen hin, die sowohl effizient als auch langlebig sind.

Der Perowskit-Verbund-MPPT-Tester, der auf einem A+AA+ LED-Solarsimulator als Alterungslichtquelle basiert, bietet starke Unterstützung für die Forschung an Perowskit-Solarzellen. Da Perowskit-Zellen so empfindlich auf Licht und Temperatur reagieren, verschiebt sich ihr maximaler Leistungspunkt ständig. Der MPPT-Controller verfolgt und fixiert diesen Punkt in Echtzeit, sodass das System immer mit seiner besten Leistung arbeitet. Das maximiert den Energieertrag und verbessert die Stabilität und Wirtschaftlichkeit des gesamten PV-Systems.

Referenz: Unterdrückung von Grenzflächenreaktionen in Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen durch eine All-ALD-SnOx/AZO-Doppelschicht

Ooitechs Ansicht

Was hier hervorsticht, ist die Idee der "funktionalen Entkopplung", bei der eine dünne Schicht die Bandanpassung übernimmt und eine andere die Blockierung, anstatt eine einzelne SnOx-Schicht zu zwingen, beide Aufgaben zu erfüllen und dabei bei einer davon zu verlieren. Auf der Produktionsseite ist die Gleichmäßigkeit des ALD-Stapels über ein Modul in voller Größe genau das, worauf Liniensteuerung und Messtechnik ankommen, und es ist die Art von Prozessdetail, mit der wir uns beim Bau von Modullinien intensiv beschäftigen. Wenn Sie mehr darüber sehen möchten, wie die Herstellung von Perowskit- und Tandem-Modulen tatsächlich in der Fabrikhalle zusammenkommt, ist der Ooitech-YouTube-Kanal (www.youtube.com/ooitech) eine Abonnierung wert.