Produkteinführung

Monolithische Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen sind einer der klarsten Wege über die Effizienzgrenze von Einzelzellen hinaus. Die obere und untere Zelle sind über eine Rekombinations-Verbindungsschicht in Reihe geschaltet, und die Qualität dieser Grenzfläche entscheidet darüber, ob Ladungsträger reibungslos transportiert und rekombiniert werden können. Das Problem liegt auf der mikropyramidenförmigen texturierten Oberfläche der Silizium-Heterojunction (SHJ)-Boden-Zelle. Die Pyramiden sind etwa 600 nm hoch, und auf diesem Gelände leidet die Rekombinationsschicht unter optischen parasitären Verlusten, während sich die selbstorganisierende Monoschicht (SAM) nie gleichmäßig verteilt. Mit der Zeit beeinträchtigt dies die Geräteleistung.

Diese Arbeit untersuchte Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Verbindungsschichten von 2 bis 30 nm Dicke und fand heraus, dass eine ultradünne 8 nm-Schicht auf zwei Fronten gleichzeitig am besten funktioniert: Reduzierung optischer Verluste und Verbesserung der Oberflächenpotentialgleichmäßigkeit. Nachdem NiOx-Modifikation und Poly-SAM-Funktionalisierung darauf aufgebracht wurden, stieg die Kurzschlussstromdichte um 0,85 mA cm⁻² auf 20,82 mA cm⁻², die Leistungsumwandlungseffizienz erreichte 31,80 %, und nach 500 Stunden Maximum-Power-Point-Tracking behielt das Gerät noch 96 % seiner anfänglichen Effizienz.

Experimentelle Methode

Die SHJ-Boden-Zelle verwendete n-Typ-Siliziumwafer, 110 ± 10 µm dick, KOH-doppelseitig texturiert zu Pyramiden von etwa 600 nm Höhe. Nach RCA-Reinigung wurden durch PECVD Passivierungs- und dotierte Schichten nacheinander abgeschieden: die Vorderseite erhielt 8 nm intrinsisches a-Si:H(i) plus 15 nm n-Typ nc-SiOx:H(n), die Rückseite erhielt 8 nm p-Typ a-Si:H(p), dann wurden 110 nm ITO gesputtert und 700 nm Ag auf der Rückseite aufgedampft. Auf der Vorderseite wurden sechs ITO-Verbindungsdicken separat abgeschieden: 2, 5, 8, 10, 20 und 30 nm, bei 180°C getempert und lasergeritzt.

Die Perowskit-Oberzelle folgte diesem Weg. Die Unterzelle wurde zuerst getempert und UV-Ozon-behandelt, dann wurde NiOx durch Magnetronsputtern abgeschieden, gefolgt von einem weiteren Temper- und UV-Ozon-Schritt. In einer Stickstoff-Handschuhbox wurde Poly-SAM aufgeschleudert (0,5 mg mL⁻¹, Lösungsmittel Methanol und Chlorbenzol im Verhältnis 1:1) und bei 100°C getempert. Das Perowskit war Cs₀,₀₅FA₀,₈MA₀,₁₅Pb(I₀,₇₅₅Br₀,₂₅₅)₃ mit einer Bandlücke von 1,68 eV, in zwei Schritten aufgeschleudert, wobei während der Hochgeschwindigkeitsstufe Chlorbenzol als Antilösungsmittel getropft und bei 100°C für 20 Minuten gebacken wurde. Die Oberfläche wurde mit PDADI modifiziert, dann wurde C₆₀ thermisch aufgedampft, SnO₂ mittels ALD gewachsen, 45 nm IZO gesputtert, Ag-Elektroden aufgedampft und schließlich eine MgF₂-Antireflexionsschicht als Abschluss aufgebracht.

Technische Vorteile

Optoelektronische Eigenschaften der ITO-Verbindungsschicht

(a) Rsh, Ne und µ in Abhängigkeit von der Dicke (n = 10); (b) optische Absorption und Reflexion der ITO-Schicht; (c) Austrittsarbeit in Abhängigkeit von der Dicke; (d) Austrittsarbeitsverschiebung (ΔWF) vor und nach NiOx-Behandlung bei verschiedenen Dicken; (e) Schema der SAM-Verteilung auf NiOx-modifiziertem ITO; (f) KPFM-Oberflächenpotentialkarten von 2–30 nm Verbindungs-ITO; (g) KPFM-Oberflächenpotentialkarten von 8 nm Verbindungs-ITO vor und nach NiOx- und Poly-SAM-Funktionalisierung.

Hall-Effekt-Messungen zeigten, dass der Schichtwiderstand mit zunehmender Schichtdicke abfällt, wie zu erwarten. Die Ladungsträgerkonzentration blieb zwischen 8 und 30 nm ziemlich stabil, etwa 2,8 bis 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, fällt aber unter 8 nm ab. Die Beweglichkeit sank nur geringfügig im engen Fenster von 2 bis 8 nm, ein Zeichen dafür, dass die Schichtintegrität noch intakt war. 8 nm liegen genau im optimalen Bereich, wo der Schichtwiderstand niedrig genug ist und die elektrische Leistung nicht eingebrochen ist.

(a) Peak-gefittetes O 1s hochauflösendes XPS-Spektrum der ITO-Schicht auf der texturierten c-Si-Unterzelle. (b) Hochauflösende XPS-Spektren der 8 nm ITO-Schicht auf der texturierten c-Si-Unterzelle vor und nach NiOx-Modifikation. (c) Querschnitts-SEM-Bild der 8 nm ITO-Schicht auf der texturierten c-Si-Unterzelle. (d) Entsprechende EDS-Elementkarten des fokussierten Bereichs der 8 nm ITO-Probe, mit der Farb-Element-Legende oben rechts.

Optisch führte die Verdünnung des ITO oberhalb von 450 nm zu einer Verringerung von Reflexion und Absorption, bedingt durch destruktive Interferenz und schwächere Absorption durch freie Ladungsträger.

• UPS zeigte, dass die Austrittsarbeit mit abnehmender Dicke anstieg, und nach NiOx-Modifikation und Temperung erreichte der Austrittsarbeits-Peak bei 8 nm.

• KPFM-Flächenscans zeigten, dass sub-10 nm ITO alle lokalen Shunt-Punkte unterdrückte, wobei 8 nm die beste Gleichmäßigkeit ergab.

• XPS brachte ein interessantes Detail zutage: Die 8 nm ITO-Oberfläche hatte eine höhere Hydroxyl-Dichte als die 20 nm-Oberfläche, und diese Hydroxyle bildeten In─O─Ni-Brückenbindungen mit NiOx, wodurch sich NiOx gleichmäßiger verteilte und fester haftete. Nach der Modifikation verschwand das In-Signal vollständig, was auf eine hervorragende Qualität der Deckschicht hinweist und eine gute Grundlage für die anschließende SAM-Selbstorganisation legt.

• SEM und EDS bestätigten ebenfalls, dass das 8 nm ITO eine konforme Bedeckung über der Textur ergab.

Photovoltaik-Leistung der Tandemzelle

(a) Variation von Jsc in Perowskit/Silizium-Tandemzellen; (b) Variation von Voc; (c) Variation von FF; (d) Variation von PCE; (e) Querschnitts-SEM-Bild der Tandemzelle auf ITO; (f) XRD-Muster des Perowskitfilms auf ITO; (g) stationäres PL-Spektrum des Perowskitfilms auf ITO; (h) normalisierte stationäre PL-Kurven; (i) transiente TRPL-Zerfallsspektren des Perowskitfilms auf ITO; (j) Photolumineszenz-Bild der Tandemzelle, aktive Fläche 0,928 cm².

Alle sechs ITO-Zwischenschichtdicken wurden einem J-V-Test unterzogen.

• Unter 5 nm fielen Voc und FF stark ab. Voc konnte nicht über 1,7 V getrieben werden und der PCE betrug nur 21,68 %, hauptsächlich weil der Film auf der Pyramidentextur bereits diskontinuierlich war.

• 8 nm war die beste Antwort. Querschnitts-SEM zeigte größere und dichtere Perowskit-Körner auf dem ultradünnen ITO (unter 10 nm), und XRD bestätigte eine bessere Kristallqualität, obwohl die 5 nm-Probe einen PbI₂-Peak aufwies, ein Zeichen für bereits begonnene Degradation. Die stationäre PL-Intensität stieg von 30 nm bis hinunter zu 8 nm kontinuierlich an und fiel dann wieder ab, sodass 8 nm genau am Peak lag und die niedrigste Defektdichte aufwies.

• Der normalisierte PL-charakteristische Peak verschob sich nicht, was bedeutet, dass die Art der nicht-strahlenden Grenzflächenrekombination gleich blieb. Die TRPL-Trägerlebensdauern waren bei 8 nm ebenfalls am längsten. Diese Ergebnisse lassen sich auf das stärkere Netto-Dipolmoment und die gleichmäßigere Austrittsarbeit zurückführen, die Poly-SAM mit sich bringt, wodurch Voc und FF gemeinsam angehoben werden. PL-Bildgebung zeigte auch sub-Mikrometer-Inhomogenitäten innerhalb der Perowskit-Subzelle, aber die ultradünne hochohmige ITO-Schicht hat einen hohen lateralen Widerstand, sodass die Reichweite lokaler Shunts effektiv eingegrenzt und die gesamte Vorrichtung nicht beeinträchtigt wurde.

Verbesserung der Stromdichte

(a) EQE-Kurven der Perowskit- und Silizium-Teilzellen unter der 8 nm ITO-Verbindungsschicht; (b) EQE-Kurven der anfänglichen und optimierten Tandemzellen.

Die vordere IZO-Schicht wurde nach der Gütezahl Aw × Rsheet⁻¹ bewertet, und 45 nm schnitten am besten ab. Die Verringerung der Verbindungs-ITO von 20 nm auf 10 nm auf 8 nm erhöhte die durchschnittliche Jsc von 19,78 auf 19,96 auf 20,55 mA cm⁻². Die EQE-integrierten Stromdichten der Perowskit- und Silizium-Teilzellen betrugen 20,64 bzw. 20,51 mA cm⁻², in Übereinstimmung mit den J-V-Daten. Im Vergleich zu 20 nm ITO lieferte 8 nm der Perowskit-Teilzelle zusätzliche 0,06 mA cm⁻² und der Silizium-Teilzelle zusätzliche 0,47, wobei der Nahinfrarot-Beitrag der Silizium-Boden-Zelle am meisten profitierte.

Produktanwendung

Bauteilleistung und Stabilität

(a) Schematische Struktur und Fotografie der Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzelle; (b) Querschnitts-REM-Aufnahme der Tandemzelle; (c) J-V-Kurven der Einzelzellen aus Perowskit und Silizium; (d) repräsentative J-V-Kurve der leistungsstarken Zelle; (e) Variation von Rs in Perowskit/Silizium-Tandemzellen mit 30 nm bis 2 nm ITO-Verbindungsschichten; (f) MPPT-Testergebnisse der verkapselten Tandemzelle unter 1-Sonnen-Beleuchtung.

Nachdem die ITO-Verbindungsdicke optimiert war, stieg der durchschnittliche Wirkungsgrad der Tandem-Bauteile von 28,64 % auf 30,67 %. Das 2 nm ITO hatte einen Serienwiderstand Rs von bis zu 41,26 Ω, sodass die Reihenschaltung praktisch unterbrochen war. Der Rs bei 8 nm war weitaus niedriger, die interne Impedanz sank und der Spannungsverlust nahe dem maximalen Leistungspunkt verringerte sich. In Bezug auf die Stabilität behielt die Tandemzelle mit 8 nm ITO nach 500 Stunden MPPT 96 % ihres anfänglichen Wirkungsgrads, während die mit 20 nm nur 90 % behielt, was sie zu einer der stabilsten in der TCO/SAM-Verbindungsfamilie macht. Warum so stabil? Die Poly-SAM-Bedeckung ist hoch, und die Perowskit-Kristallisation verbessert sich damit.

Von SAM bedeckte Regionen haben eine niedrige Oberflächenenergie, und die Phosphonsäuregruppen koordinieren mit Pb²⁺ und FA⁺, wodurch das Perowskit langsam und geordnet wächst, sodass große Körner entstehen. Auf blanken ITO-Regionen gibt es keinen solchen Templat-Effekt, die Keimbildung läuft schnell und ungeordnet ab, und die Körner werden klein mit vielen Korngrenzen. Darüber hinaus passiviert Poly-SAM die ungesättigten Bindungen und Halogenid-Leerstellen an der Grenzfläche, die Halogenid-Wanderung wird unterdrückt und der Abbau verlangsamt sich. Das gleichmäßige Oberflächenpotential, das das ultradünne ITO selbst mitbringt, hilft ebenfalls, und durch das Zusammenwirken mehrerer Faktoren erhöht sich die Lebensdauer der Bauelemente.

Die MPPT-Stabilitätsprüfung hier basiert auf einem LED-Solarsimulator der Klasse 3A+ als Alterungslichtquelle, der die Zelltemperatur und die umgebende Atmosphäre auf verschiedene Weise steuern kann, um Langzeit-Stabilitätstests durchzuführen.

Fazit und Ausblick

8 nm ist die optimale ITO-Zwischenschichtdicke für Perowskit/Silizium-Tandemzellen. Diese Dicke verbessert sowohl die kristalline Qualität des Perowskits als auch reduziert die parasitäre Absorption. Nach NiOx-Modifikation und Poly-SAM-Funktionalisierung wird das Oberflächenpotential gleichmäßiger und die Austrittsarbeitverschiebung ausgeprägter. Die 8 nm ITO-Oberfläche trägt mehr Hydroxylgruppen, NiOx verteilt sich gleichmäßig, das SAM ist dicht gepackt, und die konforme Bedeckung über der Textur wurde durch REM und EDX bestätigt. Gegenüber dem konventionellen 20 nm ITO erreichte das optimierte Bauelement einen Spitzenwirkungsgrad von 31,80 %, mit einem Jsc-Anstieg von 0,85 mA cm⁻² und 96 % des anfänglichen Wirkungsgrads nach 500 Stunden MPPT.

In Zukunft gibt es noch viel zu verbessern. Die Rückseitentextur und der optische Reflektor können weiter verfeinert werden, um den Lichteinfang in der Silizium-Bodenzeile zu verstärken, ihren Strom zu erhöhen und die Stromanpassung zu erreichen. FF und Voc bleiben die Engpässe, die den Gesamtwirkungsgrad begrenzen, daher müssen die Kontaktpassivierungsstrategien vertieft werden. Alternative Zwischenschichtarchitekturen wie siliziumbasierte Tunnelkontakte sind ebenfalls einen Versuch wert. Bei der Hochskalierung auf die Produktion müssen TCO-Dicke und Metallisierungsgitterdesign gemeinsam abgestimmt werden, damit über große Flächen die Abschattung nicht zu stark ist und die laterale Leitung nicht leidet. Und mit einer dünneren Schicht sinkt der Indiumverbrauch, was auch der Nachhaltigkeit zugutekommt.

Ooitechs Ansicht

Was hier auffällt, ist, dass einige Nanometer ITO sowohl die Optik als auch die Kristallisation auf dieser 600 nm Pyramidentextur beeinflussen können, und genau dieses Problem der konformen Beschichtung tritt auf, wenn Tandemlinien von Labor-Coupons zu vollformatigen Modulen übergehen. In der Produktion müssen die Schritte Tabber-Stringer, Layup und Lamination diese empfindlichen Interconnect- und SAM-Schnittstellen respektieren, weshalb gleichmäßige, gut abgestimmte Modullinienausrüstung ihren Wert beweist. Wenn Sie sehen möchten, wie diese Prozesse im realen Fabrikmaßstab aussehen, besuchen Sie den Ooitech YouTube-Kanal unter www.youtube.com/ooitech .