Antecedentes e desafios de pesquisa: perovskite texturizado de alta eficiência/Gargalo técnico de células solares de silício

1. Diferença entre o potencial tecnológico e as práticas industriais

Perovskita/Utilização de células solares de silícioLinha de produção de silício cristalino maduroe realizaçãoEficiência de conversão de potência (PCEtornando-se o foco da comunidade acadêmica e da indústria. Anos recentesPCEO avanço vem principalmente da otimização da tecnologia de gerenciamento de luz, melhoria da qualidade de cristalização de perovskite e passivação de defeitos, desenvolvimento de camadas monomoleculares seletivas de auto-montagem de buracos vazios e perovskite./camada de transmissão eletrônica (C60Estratégia de passivação da interfaceprogresso.

No entanto, as estratégias atuais de passivação eficiente são aplicadas principalmente aProcessamento de soluções para substratos planosMuitas vezes é necessário usar baterias de silício.Tratamento personalizado(Por exemplo, polimento adicional ou ajuste do tamanho da pirâmide). Isto eTecnologia de silício padrão industrialForma de pirâmide aleatória adotada (altura> 1 μmExistem conflitos essenciais que dificultam a integração de estratégias eficientesSubstrato de silício texturizado- É.

2. Os principais desafios das baterias texturizadas

Baseado em silício de textura de grande tamanhoPerovskite texturizado/Bateria de silícioApesar de terVantagens de custo de fabricaçãoeExcelente gestão de luzMas na implementação de perovskite eficaz/ C60Obstáculos técnicos críticos para a passivação da interface, que resultam emTensão aberta (COVA perda excede100 mV- É.

3. Mecanismo elétrico de perda de desempenho

Uma análise aprofundada mostrou que a diminuição do desempenho das baterias texturizadas é causada pelos seguintes problemas elétricos:

• Pode ter efeitos de desigualdade: Perovskita entre a camada de transferência de eletrônicosDeslocamento grande do condutor (ΔEC, ETLcausar um desequilíbrio grave na concentração do veículo no contacto superiorEste efeito se estende a todo o volume do perovskite.

• Perda composta da interface: Desequilíbrio de concentração de portadorAlta complexidade da interfacelevando diretamente COVDescida significativa

• Deterioração do desempenho da transmissão: A concentração média de veículo na camada de absorção está limitada.Condutividade internacausando graves perdas seletivas de transmissão de portadores, que se manifestam comoFactor de preenchimento (FF(Máis desempenho)

Equipe de Pesquisa e Principais Resultados

Este estudo éInstituto de Energia Solar Fraunhofer (Alemanha)Fraunhofer ISEde)Oussama Er-rajiprofessores eStefan W. Glunz (em inglês)教授Universidade de Ciência e Tecnologia do Rei Abdullah (KAUSTde)Stefaan De WolfCo-liderado por professores, os resultados da pesquisa são publicados em periódicos internacionais Ciência. A equipe de pesquisa propôs com sucesso uma estratégia inovadora de engenharia de interfaces que melhora significativamente o perovskito texturizado padrão industrial/Desempenho e estabilidade das células solares de silício.

Principais estratégias de pesquisa

• Método de deposição de perovskite em duas etapas: Compatível com substratos de silício texturizados padrão industrial

• PDAITecnologia de tratamento de superfície: Introdução1,3-Iodeto de dihidrogeno de diaminopropano para tratamento de superfície de perovskite, reduzindo a camada de transferência de perovskite e eletrônicos (C60Deslocamento do condutor entre) e induzir a acumulação de eletrões em toda a camada de absorção do perovskite

Realizações de pesquisa e perspectivas técnicas

Fig.4D

• Inovação fundamental: mecanismo de passivação de campo profundo para a acumulação de eletrônicos

• Quebrar os limites da passivação de interfaces tradicionais que apenas inibem a composição de interfaces,PDAIInduzir acúmulo significativo de eletrões dentro de toda a camada de absorção de perovskite

• Redução bem sucedida do perovskite/ C60Deslocamento do guia da interface (ΔEC, ETLReduzir a perda composta da interface

• Melhorar significativamente a condutividade da camada de absorção do perovskite, reduzir significativamente a perda de transmissão do veículo e melhorar o desempenho do fator de enchimento

• Marco do desempenho do dispositivo

• Eficiência de conversão de energia (PCE）Da 33.1%Criando uma nova bateria texturizada

• Tensão aberta (COV）Até 2,01 VElimina os dispositivos texturizados do passado> 100 mVDesordem de desempenho

• Factor de preenchimento (FF）Melhorias significativas que confirmam a eficácia da estratégia de redução das perdas de transmissão

• Desempenho de arquitetura industrial compatível com os dispositivos de registro atuais

• Excelente estabilidade e potencial para aplicações industriais

• ObterCertificado31.6%EstabilidadePCEDemonstrar valor de aplicação real

• PDAIProcessamento melhora significativamente a estabilidade operacional do dispositivo a longo prazo, inibindo a migração de íons

• Excelente desempenho em ambientes ao ar livre quentes e úmidos na costa do Mar VermelhoFFeCOVPerdas com boa resistência

• Estratégias que demonstram reprodutividade entre diferentes instituições de pesquisa e demonstram viabilidade de industrialização

Etapas experimentais e processos

Fig.4B

1. Preparação de bateria de fundo de silício texturizado

Adopção250 μmEspessurapWafer de silício de zona flutuante (resistência)1 Ω· cm）， 利用KOHSolução para texturização de pirâmides aleatórias duplas laterais padrão industrial, formando1-4 μmEstrutura pirâmide de altura. Após a limpeza química do ozônio,PECVDTecnologia em duplo depósito/Camada de passivação de silício não cristalino dopada (~ 27 nme pulverizar na frente e na parte traseira, respectivamenteITOReestruturação (20 nmcom a completaITO / AgEstrutura dos eletrodos. Finalmente, o laser de wafer é gravado como2,2 × 2,2 cm²ou2,5 x 2,5 cm²Substrato, retenção1 x 1 cm² ITOSoldadura como área ativa.

2. Tecnologia de deposição híbrida para baterias superiores de perovskite

O substrato de silício é limpo com etanol eUV/Depois do tratamento com ozônio, o revestimento é depositadoO Me-4PACzCamada de transporte de buracos vazios. Adopção da camada de absorção de perovskiteEvaporação híbrida inovadora em dois passos/Método de RotaçãoPreparação: (um)evaporação conjuntaPbI₂do/CsXEsqueleto inorgânico (~ 550 nm）， (2)Rotação dinâmicaFAI/FABrSolução de halogeno orgânico (contendo uma pequena quantidade de cristalizador de uréia) e por ajusteFABr / FAIFalha de banda objetivo de controle proporcional (1.67 ou1,70 eV). Após a conclusão no ar100°CIncendio 10 Um minuto.

3. PDAIImplementação da estratégia de passivação da interface

Após a formação do perovskite, a introduçãoTecnologias inovadoras essenciais-1,3-Iodeto de hidrogênio de diaminopropano (PDAITratamento de superfície- É.PDAISolúvel em clorobenzo/Em uma mistura de isopropanol, pode serRotação ou mergulhoDeposição de modo (o método de imersão mostra boa escalabilidade), seguido100°CIncendio 3 minutos para realizar perovskite/ C60Passivação de campo profundo da interface.

4. Eletrodos e Estrutura Óptica

ConcluídoPDAIApós o tratamento, o vácuo é evaporado sequencialmente.C60camada de transmissão eletrônica (de 18 nm），ALDDeposiçãoO SnOₓ Camada tampão (15-30 nm，80°C), blindagem de óxido condutor transparente superior de pulverização (ITOouINFORMAÇÃOevaporação).AgEletrodo superior (650 nmFinalmente, o calor evapora.MgFₓ Antireflexo (140 nm). Todos os processos de evaporação são monitorados com precisão por uma microbalança de cristal de quartzo.

5. Avaliação de estabilidade e embalagem

Para avaliar a estabilidade a longo prazo,fotovoltaicoConecte a bateria com cinta e pasta de prata para embalagem industrial. A estrutura da embalagem contém vidro solar,TPUEmbalagem ePIBvedantes de borda, inteiro em laminadores a vácuo120°CTratamento 20 minutos para garantir excelente desempenho ambiental.

Resultados da pesquisa e caracterização

Divisão quasi-fermiana(QFLS)Análise de imagens

QFLSTensão de circuito aberto para quantificar materiais(COV)O potencial para ajudar os pesquisadores a entender as fontes de perdas compostas não radiológicas e avaliar o impacto de diferentes processos nas propriedades dos materiais, fornecendo evidências para engenharia de interfaces e otimização de materiais.

Divisão de fase quasi-fermiana de películas de perovskite de referência(iVOC)A imagem mostra maior volatilidade espacial e desvio padrão(σ)para38 mVA média é1,23 VPassando. PDAIApós o tratamento,iVOCA uniformidade espacial foi significativamente melhorada.σReduzir para26 mVA média.iVOCAumentado.20 mVAtingido1,25 VIsso mostraPDAITem propriedades de passivação química leve. Em depósitoC60Depois, referência à pilhaiVOCDescida80 mVpara1,15 Ve distribuição mais ampla.(σ = 65 mV)Mas... PDAIPilha após a passivaçãoiVOCMantenha-se.1,23 VA distribuição também é mais estreita.(σ = 17 mV)- É.

Figura 3AMostra referência ePDAIFilme de perovskite após tratamentoiVOCImagens.

Para o controle preciso dos materiaisQFLScaracterizar e avaliar rapidamente seu potencial,EnlitechdoQFLS-MapeadorO instrumento de detecção de divisão em estágio quasi-Fermi é a escolha idealPode ser muito rápido.QFLSImagem não encontrada 3 segundos,Pseudo J-VCurva não chegada 2 minutos) para fornecer intuitivoQFLSVisualizar imagens e mediriVOCePseudo J-VeO PLQYeO EL-EQEParâmetros-chave. Isso não só ajuda os pesquisadores a prever rapidamente os limites de eficiência dos materiais, mas também permite visualizar a qualidade dos materiais e a distribuição de energia em graus quasi-fermétricos, melhorando significativamente a eficiência da pesquisa e desenvolvimento.

J-VMedição da curva

Parâmetros-chave de desempenho para avaliar diretamente as células solares. FalsoJ-V (pseudo-J-V)A curva é usada para quantificar a resistência em série do dispositivo.(RS)e perdas de transmissão.

AtravésPDAIEstratégia, equipamento PCEde29.1%Elevar para32.3%Entre os COVde1,83 VAumentar para1,94 V，FFde79.4%Elevar para81.6%. O dispositivo de registro foi alcançado mais 33.1%doPCEe2,01 VdoCOV- É.

FalsoJ-VA medição mostra,PDAIApós o tratamento, o fator de preenchimento falso(pFF)com a práticaFFA diferença do dispositivo de referência6%diminuiu significativamente para3%Ao mesmo tempo,Pontos de potência(MPP)resistência em série(RS)também de 6 Orm-Centímetros quadrados reduzidos para 3 Orm-Centímetros quadradosIsso mostraPDAIReduzido principalmente através da regulação da densidade do veículoRSContribuição de não-ohm, reduzindo assim a perda de transmissão.

Figura 4D Mostra pilhas solares em superposição.J-Vcurva, suaPCEAtingido33.1%，COVpara2,01 VDestaque o avanço da estratégia de pesquisa no desempenho.

Figura 3E Descrição de referência ePDAIPassivação de pilhas solaresJ-VFalso.J-Ve conduzirJ-VCurva. Visualização.PDAIComo diminuir?pFFcomFFA lacuna entre as duas provas de sua eficácia na redução das perdas de transmissão.

Figura S17A Oferece ainda maisPDAITratamento e nenhumPDAIDispositivos processados sob digitalização positiva e inversaJ-VCurvas e seus parâmetros fotovoltaicos detalhados, mostrando claramentePDAIemCOVeFFePCEascensão acima.

Realizar com precisãoJ-VMedição de curvas, especialmente para a nova geração de células solares como perovskite/Bateria de silício,Enlitechdo SS-X AM1.5GSimulador de luz solar espectral padrão Pode fornecerA+Precisão espectral de nível e excelente estabilidade. Combinar com ele IVS-KA6000Software de teste integradoNão só é possível executar/InversoIVScan e teste multicanal, maisNRELFuncionalidade de detecção gradual.SS-XCombinaçãoSS-IRISTecnologia que ajusta automaticamente a intensidade da luz sem alterar o espectroO Sun-Voctestes complexos.

EQEmedição

As medições são usadas para determinar a eficiência da coleta de corrente das células solares sob diferentes comprimentos de onda e avaliar a correspondência de corrente entre as sub-células das células superpostas.

PDAIApós o tratamento, o dispositivo Densidade de corrente de curto circuito(JSC)Mantenha-se inalteradoEsse resultado eEQEConsistente com os resultados da medição de reflexão. A equipe de pesquisa também colocou perovskite1,67 eVAjustar para1,70 eVPara obter uma melhor correspondência de corrente, o que melhora ainda mais o desempenho do dispositivo.EQEA estabilidade da curva também demonstra indiretamente que a estabilidade a longo prazo do dispositivo não é afetada.

Figura S17B Foram apresentadas referências ePDAIDispositivos de processamentoEQEOs resultados das medições mostram que as curvas de resposta espectral dos dois são semelhantes e suportamJSCMantenha uma observação consistente.

Figura S17C Os resultados das medições de refletidão correspondentes foram mostrados, confirmando ainda mais a comparabilidade no gerenciamento óptico.

Fig. S23A mostram diferentes intervalos (1,67 eVe1,70 eV(O dispositivoEQEA medição enfatiza como o ajuste da lacuna de banda afeta a borda de absorção espectral da bateria de perovskite para alcançar a correspondência de corrente.

Enlitechdo QE-RSistema de medição de eficiência quântica É uma ferramenta confiável na pesquisa fotovoltaica, com sua repetitividade e precisão, amplamente utilizado em mais de 500 um laboratório de pesquisa fotovoltaica e foi1,000VáriosSCIArtigos citados, incluindo revistas emblemáticas como Nature e Science.QE-RO sistema foi especialmente projetado com amplificadores de fase de bloqueio duplos e independentes para medir com precisão a eficiência quântica de células solares multinodes, incluindo perovskite./Células solares de silício cristalino. Ele ofereceEQEeIPCEeSReIQEe vários dados, como a taxa de reflexão, e pode realizar cálculos de integrais de corrente.

UPScomAM-KPFMmedição

Espectro de energia fotoeletrônica ultravioleta(UPS)Funções para análise de filmes(Wf)e potencial de ionização(IP)para estudar perovskite/ C60A interface pode ser alinhada. Microscópio de força de sonda Kelvin de modulação de amplitude(AM-KPFM)Eles são usados ​​para verificar as mudanças na função de função e observar a uniformidade da distribuição de potencial superficial.

UPSA medição mostra,PDAIFunção do perovskite após a passivação(Wf)Aumento do que a amostra de referência270 megavolts(de4,49 eVAdicionar para4,76 eV)Potencial de ionização(IP)As mudanças indicam a formação do dipolo. Essa formação polar resulta emC60Deslocamento da faixa da interface da amostra de referência180 megavoltsMinimizar para70 megavolts- É.AM-KPFMOs resultados também mostramPDAIA distribuição do potencial superficial após o tratamento é mais uniforme.

Figura 2A Foram apresentadas referências ePDAITratamento da região de corte eletrônico secundário da película finaUPSresultados da medição.

Figura 2C Apresenta referências ePDAITratamento de filmes eC60Pode trazer mapas.

Fig. S9G então atravésAM-KPFMOs resultados mostram referência ePDAIDistribuição de funções de processamento de filmes finas.

DFTCalculação

Cálculo para uma compreensão aprofundada a nível teóricoPDAIAs moléculas formam mecanismos dipolares na superfície do perovskite e sua direção.

DFTDescobrir o cálculoPDAIAs moléculas têm 8,27 DMomento DipolarA pesquisa descobriu,PDAIevaporação misturada com perovskite enriquecido orgânicamente (utilizado neste estudo)/Quando a superfície produzida pelo método de rotação) interage,Induzir uma direçãoC60Dipolar DiretoIsso resulta no aumento da função. Isso é consistente com a tendência observada experimentalmente para aumentar a função de função.

Figura 2D Mostrou.PDAIEstrutura química e eletrostática das moléculas.

Figura 2F Mostrou.PDAIcom terminais orgânicosMAPbI3Estrutura otimizada após a interação e diferenças de densidade de carga induzida.

Figura 2G apresentado.PbI2Terminais eMaio...TerminaisMAPbI3Existe?PDAIfunção de cálculo do caso.

Análise do tempoPL (TRPL)Espectro de absorção com transiência(TA)

Analisar a luminosidade do tempo(TRPL)Medição de processos competitivos para transferência de carga de interface desacoplada e composto de carga de interface. Absorção transitória(TA)O espectro é usado para estudar detalhadamente a dinâmica dos portadores e os sinais de armadilha não emitidos em escala de tempo de nanosegundos.

comC60amostra de referência, a sua vida diferencial em~ 1 μsperíodo da plataforma, em comparação com nenhumC60A amostra de referência foi reduzida em um grau de quantidade, sugerindo que o composto da interface dominou a dinâmica. Em comparação,EscrituraPDAIprocessar e trazerC60O período de vida diferencial da plataforma de exibição da pilha é de aproximadamente~ 10 μse nenhumC60Tempo para~ 13 μsIsso mostra fortementeRedução significativa da composição da interface na pilha de destino- É.TAAs medições mostraram ainda que o sinal de portador de armadilha rasca de longa vida presente na amostra de referênciaPDAIdesaparecem após o tratamento.PDAITratamento faz referência/ C60da pilha.TAVida média ponderada do portador de branqueamento de intervalo de banda de27 nsAumentar para53 nsConfirmação.COVA principal razão para a melhoria foi a redução do composto da interface.

Figura 3B Mostra referência ePDAIAnálise do tempo de processamento do filmePLcurva de decadência.

Fig. 3D Apresenta medições de absorção transitória em referência ePDAICurva de decadência de branqueamento de intervalo de banda para o tratamento da película fina.

Soles-VOCmedição

Realizado em condições de circuito aberto para evitar a extração de carga elétrica, obtendo a falsificaçãoJ-VA curva é considerada sem perda de transmissão e pode ser usada para quantificar a resistência em série total(RS)- É.

As medições descobriram que, embora o fator de preenchimento pseudo(pFF)Mantenha-se.85%Sem mudança, mas pFF-FFDiferenças emPDAIO dispositivo de passivação do dispositivo de referência6%Reduzir para3%Assim, no ponto de potência(MPP)resistência em série(RS)O valor do cálculo diminuiu significativamente.de 6 Orm-Centímetros quadrados abaixo 3 Orm-Centímetros quadradosAvaliação sob diferentes tensões operacionaisRSO dispositivo alvo mostra uma inclinação menor, enfatizandoPDAIPrincipalmente, através da regulação da densidade do veículo, diminuiuRSContribuições não-homônimas.

Figura 3E Apresenta referências ePDAIPassivação de pilhas solaresJ-VFalso.J-Ve conduzirJ-VCurvas.

Figura S14 Descrição de referência ePDAIDispositivos de processamento sob diferentes tensões de operaçãoRSCurvas.

Extração de carga auxiliar de sobretensão(BACE)medição

É usado para quantificar as concentrações de íons móveis em células solares, o que é essencial para entender a estabilidade operacional a longo prazo de dispositivos de perovskite.

Após o teste de estabilidade,Concentração de íons móveis em dispositivos de referência(6,5 × 10^17 cm)⁻³)É o dispositivo alvo.(2,6 × 10 ^ 17 cm)⁻³)Quase três vezes.Esta pode ser a razão explícita da degradação acelerada do dispositivo de referência. Os resultados mostram quePDAIPerovskite modificado/ C60A interface fixa eficazmente a migração de íons, aumentando assim a estabilidade operacional do dispositivo.

Fig. S26A, B apresenta uma referência representativa de células solares ePDAIPassivação das células solares antes e depois do teste de estabilidadeBACEresultados da medição.

Outras características

Teste de estabilidade ao ar livre e calor úmido Verifique a confiabilidade a longo prazo do dispositivo em ambientes operacionais reais.PDAIDispositivos de passivação demonstram estabilidade em ambientes ao ar livre na costa do Mar Vermelho, em testes térmicos úmidosPCEtaxa de retenção em relação ao desempenho inicial de73.7%Elevar para83.4%um aumento significativoFFcomCOVCapacidade anti-decadência.(Figura 4F, Figura S27)

XEspectroscopia fotoeletrônica de raios (XPS） confirmarPDAIA adsorção bem sucedida das moléculas na superfície do perovskite interage com a química. DetectadoPDAIsinais moleculares,C-NFortalecimento do sinal chave,N 1sePb 3DeEu 3DDeslocamento do nível de energia do núcleo para a energia de ligação baixa, confirmandoPDAIinteragir eficazmente com a superfície do perovskite.(Fig. S5A-D)

Caracterização estrutural (XRD, GIWAXS, STEM） verificaçãoPDAIO tratamento não afeta a integridade da estrutura cristalina do perovskite. Confirmar que não se formou perovskita de baixa dimensão no sistema,3DA estrutura do perovskite permanece inalterada na interface.PDAIO tratamento não afetou significativamente a morfologia do perovskite.(Fig. S6A-G, Fig. S7C-E)

Microscópio eletrônico de varredura (SEM） Observar a morfologia da seção transversal do dispositivo e a estrutura da superfície do perovskite. Confirmar a clareza das estruturas,PDAIA adição não provocou mudanças no tamanho aparente do grão do perovskite, mantendo uma boa comorbilidade do filme fino.(Figura 4B, Figura S8A-B)

Espectro de terahertz e carga espacial limitando a corrente (SCLC） Medir a taxa de migração do fluxo de carga e a densidade de defeito para entender o mecanismo de elevação da condutividade. A taxa de migração dos portadores é mantida a um nível semelhante (16,5-18,5 cm² / Vs), o aumento da concentração de eletrões é a causa fundamental da redução da resistência em série, a densidade de defeito de1.55×10^15Baixar para1,15 × 10 ^ 15 cm ^ -3- É.(Fig. S15, Fig. S16A-B)

Resumo das conclusões e resultados

O sucesso da pesquisa é baseado1,3-Iodeto de hidrogênio de diaminopropano (PDAI）Estratégia de passivação para melhorar significativamente o padrão industrial texturizado perovskite à base de silício/Eficiência e estabilidade das células solares de silício.

Desempenho recorde do dispositivo

Implementação do dispositivo33.1%Eficiência de conversão (PCE） e2,01 VTensão aberta (COV）Entre osEstabilidade da certificaçãoPCEDa31.6%Isso iguala o desempenho das pilhas laminadas texturizadas com base em silício ao recorde atual das pilhas laminadas planas, demonstrando a viabilidade de uma passivação eficiente em substratos industriais complexos e superando os desafios de passivação resultantes de grandes áreas de superfície.

Inovação fundamental: mecanismo de passivação do efeito de campo profundo

PDAIEngenharia Funcional Em perovskita/ C60A interface induz um momento dipolar positivo,Deslocamento do guia (ΔEC, ETLdo dispositivo de referência.180 megavoltsBaixar para o dispositivo alvo70 megavoltsO principal avanço é a "passivação do efeito de campo profundo" Expandir a acumulação de eletrônicos paraPerovskite inteiro absorve o material da camadapermitindo a concentração média de eletrões dentro da camada de absorção a partir da simulação1×10^14Elevar para4 × 10 ^ 15 cm ^ -3Isso é notável.Aumenta a condutividade da camada de absorção e reduz a perda de transmissão do transportadorum fator de preenchimento (FFPrincipais motores da melhoria.

Excelente estabilidade a longo prazo

Dispositivos ao ar livre na costa do Mar Vermelho Operação contínua superior1000Horas para manter a saída estável, teste de calor úmido (85°C, 85%RH, 1000horas),PCEem relação ao desempenho inicial.Taxa de retenção de73.7%Elevar para83.4%- É.PDAITratamento eficazPerovskite fixo/ C60Migração de íons na interfaceReduz significativamente a concentração de íons móveis, melhorando radicalmente a estabilidade operacional do dispositivo.

Potencial de aplicação industrial

Esta estratégia é compatível com a indústriaMétodo de sedimentação em duas etapasMatching, adequado para substratos de silício texturizados de tamanho grande pirâmide. O estudo foi verificado porMétodo de imersãoDeposiçãoPDAISua escalabilidade e seu mecanismo de ação lhe permitem melhorar com sucesso o desempenho em uma variedade de composições de perovskite.

Referência da literatura Science_DOI: 10.1126/science.adx1745

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