Produkteinführung

Perowskit/Silizium-Tandemzellen haben bereits 35 % Effizienz erreicht. Das Problem ist die Stabilität. Diese Geräte sind noch weit von der 25-jährigen Lebensdauer entfernt, die die Kommerzialisierung erfordert, und die Ursache liegt an den Grenzflächen. Dort baut sich Ladung auf, und dieser Aufbau löst Redoxreaktionen und Ionenwanderung aus.

Die weit verbreitete ALD-SnOx-Elektronentransportschicht hat aufgrund ihres hohen spezifischen Widerstands 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 einem AAA-LED-Solarsimulator als Alterungslichtquelle die Zelltemperatur auf verschiedene Weise steuern und die Umgebung verwalten, um Langzeitstabilitätstests durchzuführen.

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 separate Aufgaben aufgeteilt. Einfachzellen-Perowskit-Weitbandlückenzellen mit dieser Struktur erreichten 23,47 % Effizienz, und Tandemgeräte erreichten 33,25 %. Nach 1000 Stunden Dauerbeleuchtung behielten sie 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 Erhöhung der Dicke erhöhte den Serienwiderstand und senkte den Füllfaktor. Um die Widerstandsgrenze zu verringern, fügten die Autoren eine 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 Energielevelanalyse ergab, dass das Leitungsbandminimum von SnOx über AZO zu IZO abfällt, was eine günstigere treppenartige Bandausrichtung bildet, die die Grenzflächenextraktionsbarriere senkt. c-AFM zeigte, dass SnOx/AZO und reines AZO viel 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-SEM. Bei den SnOx/AZO-Proben waren diese Degradationsanzeichen viel schwächer. TOF-SIMS zeigte starke Ag-Penetration in die Perowskitschicht und schwere I⁻-Diffusion in den SnOx-Bauelementen, während die SnOx/AZO-Bauelemente keine offensichtliche Ionendiffusion aufwiesen.

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

Produktanwendung

Leistung und Stabilität von Einzelzellen

In Einzelzellenbauelementen 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-Bauelements mit 20,92 mA/cm². Die stabilisierte Leistungsabgabe betrug 23,12%. Die Urbach-Energie lag bei 13,11 meV, unter der des SnOx-Bauelements mit 16,38 meV.

Bei Stabilitätstests behielt SnOx/AZO nach 1100 Stunden Dunkelalterung bei 85°C über 90% seiner anfänglichen Effizienz, während SnOx nach 600 Stunden auf 85% abfiel. Unter 85°C mit Beleuchtung blieb 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.

Tandemzellen-Leistung und Stabilität

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

Die beste Tandemanordnung erreichte 33,25% Effizienz, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, mit nahezu keiner Hysterese. EQE zeigte Photoströme von 20,43 und 20,40 mA/cm² für die obere und untere Zelle, eine gute Übereinstimmung. Die stabilisierte Leistungsabgabe betrug 32,38%.

Nach 1000 Stunden thermischer Alterung bei 85°C behielt SnOx/AZO über 90% Effizienz, während SnOx innerhalb von 400 Stunden unter 90% fiel. Im Feuchte-Wärme-Test (double 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 Grenzflächenladungsaufbau, was die reaktionsgetriebene Grenzflächendegradation unterdrückt. Gleichzeitig wirkt die dichte Doppelschicht als effektive Ionen- und Feuchtigkeitsbarriere, die die iodidinduzierte Silberkorrosion und die Ag⁺-Migration in das Perowskit hemmt. Schnellere Elektronenextraktion gepaart mit physikalischer Ionenblockade ergibt einen "funktionalen Entkopplungsmechanismus", sodass die beiden Effekte gemeinsam die Gerätehaltbarkeit verstärken.

Diese Studie verwendet eine vollständig ALD-basierte SnOx/AZO-Doppelschicht, um die reaktionsgetriebene Degradation an der Grenzfläche in Perowskit/Silizium-Tandemzellen zu unterdrücken. Die Doppelschicht kombiniert die gute Bandanpassung von SnOx mit der hohen Leitfähigkeit und dichten Barrierefunktion von AZO, reduziert Ladungsansammlungen und hemmt Ionendiffusion und Feuchtigkeitseintritt. Einfachzellen erreichten 23,47% Effizienz, Tandemzellen 33,25%, und beide behielten nach 1000 Stunden MPPT über 96% der anfänglichen Effizienz. Dies zeigt, wie zentral das Grenzflächenengineering für den Bau hocheffizienter, stabiler Perowskit/Silizium-Tandem-PV ist, und weist einen realen Weg zu Zellen, 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 Perowskit-Solarzellenforschung. Da Perowskit-Zellen sehr 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 stets 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

Ooitech's Sicht

Was hier hervorsticht, ist die Idee der "funktionalen Entkopplung", bei der eine dünne Schicht die Bandanpassung und eine andere die Blockierung übernimmt, anstatt eine einzelne SnOx-Schicht zu zwingen, beide Aufgaben zu erfüllen und dabei eine davon zu vernachlässigen. Auf der Produktionsseite ist die Gleichmäßigkeit des ALD-Stapels über ein vollständiges Modul genau das, worauf es bei der Liniensteuerung und Messtechnik ankommt, und es ist die Art von Prozessdetail, über die wir beim Bau von Modullinien grübeln. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie die Herstellung von Perowskit- und Tandemmodulen tatsächlich in der Fabrikhalle zusammenkommt, lohnt sich der Ooitech YouTube-Kanal (www.youtube.com/ooitech) zu folgen.