बड़े क्षेत्र के सभी-पेरोव्स्काइट टेंडम मॉड्यूल में 26.2% प्रमाणित दक्षता सफलता: In₂O₃ नैनोक्रिस्टल सुरंग पुनर्संयोजन जंक्शन

परिचय

सभी-पेरोव्स्काइट टेंडम सौर मॉड्यूल को उनकी उच्च दक्षता और कम लागत की क्षमता के कारण अगली पीढ़ी की फोटोवोल्टिक तकनीक के लिए एक मजबूत दावेदार माना जाता है। फिर भी बड़े क्षेत्र का व्यावसायीकरण गंभीर रूप से बाधित रहा है। जबकि छोटे क्षेत्र के उपकरण पहले ही 30% दक्षता पार कर चुके हैं, बड़े क्षेत्र के मॉड्यूल (≥20 cm²) लंबे समय से लगभग 24.5% पर अटके हुए हैं। मुख्य दोष पारंपरिक सोने-आधारित सुरंग पुनर्संयोजन जंक्शनों (TRJs) में Au/PEDOT:PSS संरचना का मजबूत निकट-अवरक्त परजीवी अवशोषण और अंतरफलकीय तापीय अस्थिरता है, साथ ही ब्लेड कोटिंग के दौरान असमान क्रिस्टलीकरण के कारण बड़े क्षेत्र के Pb-Sn पेरोव्स्काइट फिल्मों में बिगड़ा हुआ आवेश परिवहन है।

यह अध्ययन सतह-इंजीनियर्ड In₂O₃ नैनोक्रिस्टल पर निर्मित एक समाधान-प्रसंस्कृत TRJ विकसित करता है। नैनोक्रिस्टल आकृति विज्ञान और सतह रसायन को ट्यून करके, टीम ने उच्च ऑप्टिकल पारदर्शिता, चिकनी इंटरफेस और आदर्श ऊर्जा-स्तर संरेखण प्राप्त किया। साथ ही, Pb-Sn पेरोव्स्काइट अग्रदूत में फॉस्फोनिक-एसिड-प्रकार के योजक पेश किए गए ताकि In₂O₃ पुनर्संयोजन परत के साथ इलेक्ट्रॉनिक संपर्क में सुधार हो, छेद निष्कर्षण बढ़े, और बड़े क्षेत्र की फिल्मों में अवशिष्ट तनाव को दूर करने के लिए क्रिस्टलीकरण गतिकी को ट्यून किया जा सके। यह संयुक्त रणनीति जंक्शन पर वाहक पुनर्संयोजन दक्षता, चार्ज निष्कर्षण और बड़े क्षेत्र की फिल्म एकरूपता को एक साथ बढ़ाती है, अंततः 65 सेमी² एपर्चर क्षेत्र पर JET-प्रमाणित 26.2% दक्षता (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) प्रदान करती है — सभी-पेरोव्स्काइट टंडेम फोटोवोल्टिक्स को बड़े पैमाने पर ले जाने की राह पर एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर।

नए TRJ का डिज़ाइन और लाभ

कार्य एक समाधान-प्रसंस्कृत विकल्प प्रस्तावित करता है: सतह-इंजीनियर्ड इंडियम ऑक्साइड नैनोक्रिस्टल (In₂O₃ NCs) से निर्मित एक नया TRJ (प्रकार III)। इसकी व्यवस्थित रूप से पारंपरिक Au/PEDOT:PSS प्रकार I संरचना और वाणिज्यिक ITO नैनोक्रिस्टल पर आधारित प्रकार II संरचना से तुलना की गई है।

संरचना और इंटरफ़ेस विशेषताएँ

स्व-संश्लेषित In₂O₃ NCs का कण आकार वाणिज्यिक ITO NCs की तुलना में बहुत छोटा होता है, जो एक चिकनी दबी हुई इंटरफ़ेस बनाता है और संपर्क दोष घनत्व को प्रभावी ढंग से कम करता है। विद्युत परीक्षण दर्शाते हैं कि प्रकार III संरचना बिना किसी चार्ज परिवहन अवरोध के आदर्श ओमिक संपर्क व्यवहार प्रदर्शित करती है।

ऑप्टिकल और तापीय स्थिरता

ऑप्टिकल लक्षण वर्णन दर्शाता है कि प्रकार I में PEDOT:PSS गंभीर परजीवी अवशोषण हानि का कारण बनता है, जबकि In₂O₃ NC फिल्म अत्यधिक ऑप्टिकली पारदर्शी है। 85°C त्वरित तापीय उम्र बढ़ने के तहत, प्रकार I मॉड्यूल दक्षता 50 घंटों के भीतर अपने प्रारंभिक मान के आधे से नीचे गिर गई, जबकि NC-आधारित प्रकार II और प्रकार III ने 200 घंटों के बाद लगभग 75% प्रारंभिक दक्षता बनाए रखी। 10×10 सेमी² सब्सट्रेट पर, ब्लेड-कोटेड NC फिल्मों ने पतली थर्मली वाष्पित Au फिल्मों की तुलना में कहीं अधिक समान ऑप्टिकल अवशोषण दिखाया, जो स्केलेबल निर्माण में समाधान-प्रसंस्कृत नैनोक्रिस्टल के अंतर्निहित लाभ को पूरी तरह से प्रदर्शित करता है।

बड़े क्षेत्र की पेरोव्स्काइट फिल्म निर्माण का अनुकूलन

TRJ की ऑप्टिकल हानि और अस्थिरता के समाधान के साथ, बड़े क्षेत्र की Pb-Sn पेरोव्स्काइट फिल्मों का समान निर्माण अगली तकनीकी बाधा बन गया। पारंपरिक DMF/DMSO विलायक प्रणालियों में उच्च क्वथनांक और धीमी अस्थिरता होती है, इसलिए उच्च गति वाली ब्लेड कोटिंग के दौरान उनकी नाभिकीय गतिकी पिछड़ जाती है, जिससे बड़े सब्सट्रेट पर समान फिल्म बनाना मुश्किल हो जाता है।

इसे हल करने के लिए, टीम ने 2-मेथॉक्सीएथेनॉल (2-Me) और टेट्राहाइड्रोफ्यूरान (THF) पर आधारित एक बाइनरी विलायक प्रणाली विकसित की। अपने कम क्वथनांक और उच्च वाष्प दबाव के साथ, यह प्रणाली तेजी से क्रांतिक सुपरसैचुरेशन तक पहुँचती है और न्यूक्लिएशन को स्पष्ट रूप से तेज करती है। इसका उपयोग करके, Pb-Sn पेरोव्स्काइट ब्लेड-कोटिंग गति को पारंपरिक DMF प्रणाली में 5 mm/s से बढ़ाकर 30 mm/s तक लाया गया, जिससे 10×10 cm² और बड़े सब्सट्रेट्स पर अत्यधिक एकसमान फोटोल्यूमिनेसेंस (PL) तीव्रता और उत्कृष्ट उपकरण स्थिरता प्राप्त हुई। इसने बड़े क्षेत्र की कोटिंग की क्रिस्टलीकरण-गतिकी चुनौती को सफलतापूर्वक हल किया और 65 cm² एपर्चर क्षेत्र पर 17.5% दक्षता का प्रारंभिक सत्यापन प्राप्त किया।

सतह लिगैंड इंजीनियरिंग और ऊर्जा स्तर मिलान

PEDOT:PSS को हटाने के बाद, ऑप्टिकल हानियाँ कम हुईं, लेकिन ओपन-सर्किट वोल्टेज (VOC) और फिल फैक्टर (FF) में गिरावट आई, जिसका कारण पेरोव्स्काइट और NC परत के बीच बढ़ी हुई इंटरफेशियल परिवहन बाधाएँ और गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन था। इसे संबोधित करने के लिए, अध्ययन ने एक दोहरी सहक्रियात्मक अनुकूलन रणनीति लागू की:

ऊर्जा स्तरों को ट्यून करने के लिए सतह लिगैंड इंजीनियरिंग

लिगैंड एक्सचेंज के माध्यम से, In₂O₃ NCs की सतह को संशोधित करने के लिए MMES और MMPA का उपयोग किया गया। UV फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (UPS) ने दिखाया कि MMPA-संशोधित In₂O₃ NCs लक्ष्य पेरोव्स्काइट फिल्म के साथ अनुकूल इंटरफेशियल बैंड बेंडिंग (लगभग 50 meV का ऊपर की ओर बेंड) प्राप्त करते हैं, जो होल निष्कर्षण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ावा देता है, जबकि OAm या MMES संशोधन ने नीचे की ओर बेंड और एक परिवहन बाधा उत्पन्न की। स्पेस-चार्ज-लिमिटेड करंट (SCLC) परीक्षणों ने गतिशीलता पर किसी भी लिगैंड हस्तक्षेप को खारिज कर दिया, यह पुष्टि करते हुए कि प्रदर्शन लाभ मुख्य रूप से अनुकूलित ऊर्जा-स्तर संरेखण से उत्पन्न होता है।

फॉस्फोनिक-एसिड होल-सेलेक्टिव मटेरियल (HSM) के साथ बल्क डोपिंग

टीम ने MeO-2PACz जैसे फॉस्फोनिक-एसिड HSM को सीधे Pb-Sn पेरोव्स्काइट अग्रदूत (0.2 mol% पर अनुकूलित) में डोप किया, न कि केवल इंटरफ़ेस संशोधन तक सीमित रखा। यह बल्क डोपिंग रणनीति बड़े क्षेत्रों पर असमान SAM कवरेज की समस्या से बचाती है। UPS ने दिखाया कि HSM डोपिंग के बाद पेरोव्स्काइट कार्य फलन 5.04 eV से 4.81 eV में स्थानांतरित हो गया, वैलेंस बैंड अधिकतम ऊपर चला गया, और n-प्रकार का चरित्र कमजोर हो गया, जो In₂O₃ NCs के ऊर्जा स्तरों से बेहतर मेल खाता है। परिणामी HTL-मुक्त एकल-जंक्शन Pb-Sn सेल ने 23% दक्षता प्राप्त की, जबकि In₂O₃-MMPA NCs को होल ट्रांसपोर्ट लेयर (HTL) के रूप में उपयोग करने वाले ब्लेड-कोटेड उपकरण ने 33.8 mA cm⁻² की उच्च JSC के साथ 24.0% रिवर्स-स्कैन दक्षता प्राप्त की।

पेरोव्स्काइट फिल्म पर HSM की बहुभूमिकाएँ

HSM की भूमिका चार्ज परिवहन से कहीं आगे तक जाती है — यह फिल्म क्रिस्टलीकरण और दोष निष्क्रियता को गहराई से प्रभावित करता है:

क्रिस्टलीकरण नियंत्रण और दोष दमन

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) ने दिखाया कि HSM डोपिंग के बाद Pb-Sn फिल्म में अनाज की सीमाओं को काटने वाली डेंड्रिटिक अशुद्धियाँ गायब हो गईं, अनाज का आकार काफी बढ़ गया, और अनाज की सीमाओं ने एक 'फ्यूज्ड' रूप धारण कर लिया। GIWAXS और XRD ने पुष्टि की कि HSM ने PbI₂ अशुद्धता-चरण गठन को प्रभावी ढंग से दबा दिया। तरल-अवस्था ¹H NMR ने आगे खुलासा किया कि HSM, प्राथमिकता डीप्रोटोनेशन के माध्यम से, मुक्त अम्लीय फॉस्फोनिक समूहों का उपभोग करता है, जिससे FA⁺ केशन के अम्लीय डीप्रोटोनेशन को रोकता है और अग्रदूत रसायन को स्थिर करता है।

बेहतर वाहक गतिकी

क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TAS) ने दिखाया कि HSM डोपिंग के बाद दोष-सहायता प्राप्त गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन काफी हद तक दब गया। स्थिर-अवस्था PL तीव्रता तेजी से बढ़ी, औसत PL जीवनकाल 1042 ns से बढ़कर 1889 ns हो गया, विशेष रूप से निचले इंटरफेस पर मजबूत पैसिवेशन के साथ, जिससे दबे हुए इंटरफेस पर चार्ज ट्रैपिंग प्रभावी रूप से कम हो गई। OPTP स्पेक्ट्रोस्कोपी ने दिखाया कि लक्ष्य फिल्म की वाहक गतिशीलता 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ से बढ़कर 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ हो गई और प्रसार लंबाई 2.65 μm से बढ़कर 4.78 μm हो गई, जो बल्क फिल्म गुणवत्ता में सर्वांगीण सुधार की पुष्टि करता है।

बड़े क्षेत्र मॉड्यूल प्रदर्शन और स्थिरता

इन सहक्रियात्मक रणनीतियों पर निर्माण करते हुए, टीम ने 65 cm² एपर्चर क्षेत्र (श्रृंखला में 14 उप-कोशिकाएं) के साथ एक ऑल-पेरोव्स्काइट टंडेम मॉड्यूल तैयार किया। टाइप III (In₂O₃-MMPA) TRJ का उपयोग करने वाले चैंपियन मॉड्यूल ने 26.6% प्रयोगशाला-परीक्षित दक्षता (रिवर्स स्कैन) प्राप्त की, जिसमें VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻², और FF 78.2% था। इसकी JET-प्रमाणित स्थिर दक्षता 26.2% तक पहुंच गई, जो पारंपरिक टाइप I TRJ (24.8%) का उपयोग करने वाले नियंत्रण मॉड्यूल से स्पष्ट रूप से बेहतर थी। डेड-ज़ोन अनुकूलन के बाद, ज्यामितीय भरण कारक 96.5% तक पहुंच गया, जो 27.6% जितनी उच्च समतुल्य सक्रिय-क्षेत्र दक्षता देता है। EQE स्थानिक मैपिंग ने दिखाया कि, 16 विभिन्न स्थानों पर, शीर्ष और निचली उप-कोशिकाओं की एकीकृत धारा घनत्व क्रमशः औसतन 16.3 और 16.2 mA cm⁻² थी - जो J-V परिणामों से निकटता से मेल खाती है और दोनों पहले से रिपोर्ट किए गए उप-15 mA cm⁻² मॉड्यूल बाधा को तोड़ते हैं।

विश्वसनीयता के संदर्भ में, IEC 61215:2021 मानक का पालन करते हुए, एनकैप्सुलेटेड टाइप III मॉड्यूल ने निरंतर 1-सन MPP ट्रैकिंग के तहत 771 घंटे का T90 जीवनकाल (प्रारंभिक दक्षता का 90% बनाए रखना) प्राप्त किया, और 1000 घंटों के बाद भी 82.5% दक्षता बनाए रखी। मांगलिक 85°C/85% RH डैम्प-हीट परीक्षण (ISOS-D-3) में, टाइप III मॉड्यूल ने औसत T84 जीवनकाल 1000 घंटे प्राप्त किया, जबकि टाइप I मॉड्यूल पहले ही 40% दक्षता से नीचे गिर गया था; -40°C से 85°C तक के थर्मल साइक्लिंग परीक्षण (ISOS-T-3) में, टाइप III मॉड्यूल ने 200 चक्रों के बाद प्रारंभिक दक्षता का 93% बनाए रखा। सभी त्वरित उम्र बढ़ने के प्रयोगों ने पुष्टि की कि टाइप III की उत्कृष्ट स्थिरता PEDOT:PSS द्वारा ट्रिगर किए गए अस्थिरता कारकों को पूरी तरह से समाप्त करने से उत्पन्न होती है।

सतह-इंजीनियर्ड In₂O₃ नैनोक्रिस्टल पुनर्संयोजन जंक्शनों और सहक्रियात्मक बल्क/इंटरफ़ेस HSM इंजीनियरिंग के माध्यम से, इस कार्य ने 65 cm² एपर्चर क्षेत्र पर 26.2% प्रमाणित दक्षता वाला ऑल-पेरोव्स्काइट टेंडम सोलर मॉड्यूल सफलतापूर्वक प्राप्त किया, जो मॉड्यूल आकार, दक्षता और परिचालन स्थिरता में व्यापक सफलता प्रदान करता है। यह कार्य ऑल-पेरोव्स्काइट टेंडम फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी की व्यावसायीकरण क्षमता को दृढ़ता से प्रदर्शित करता है। आगे देखते हुए, मॉड्यूल क्षेत्र को 800 cm² से परे धकेलने के लिए स्लॉट-डाई कोटिंग जैसी जमाव प्रक्रियाओं के साथ-साथ वैक्यूम-सहायता प्राप्त क्रिस्टलीकरण जैसी विधियों के सहक्रियात्मक अनुकूलन की आवश्यकता होगी, ताकि बड़े क्षेत्र के वाइड- और नैरो-बैंडगैप उप-कोशिकाओं का उच्च गुणवत्ता वाला एकसमान निर्माण सुनिश्चित हो सके।

संदर्भ और परीक्षण उपकरण

एक समग्र पेरोव्स्काइट MPPT परीक्षक जो उम्र बढ़ने के स्रोत के रूप में A+AA+ ग्रेड LED सौर सिम्युलेटर का उपयोग करता है, उन्नत तकनीक और बहुक्रियाशील डिजाइन के माध्यम से पेरोव्स्काइट सौर सेल अनुसंधान के लिए मजबूत समर्थन प्रदान करता है। ऐसे उपकरण मुख्य रूप से तैयार पेरोव्स्काइट सिंगल-जंक्शन और टेंडम कोशिकाओं के स्थिरता परीक्षण के लिए उपयोग किए जाते हैं। चूंकि पेरोव्स्काइट कोशिकाओं की आउटपुट विशेषताएं प्रकाश और तापमान जैसे पर्यावरणीय कारकों से आसानी से प्रभावित होती हैं, अधिकतम पावर पॉइंट बार-बार उतार-चढ़ाव करता है। एक MPPT नियंत्रक वास्तविक समय में अधिकतम पावर पॉइंट को ट्रैक और लॉक करता है, यह सुनिश्चित करता है कि सिस्टम हमेशा इष्टतम पावर आउटपुट पर काम करे।

संदर्भ: ऑल-पेरोव्स्काइट टेंडम सोलर मॉड्यूल के लिए नैनोक्रिस्टल-टेलर्ड पुनर्संयोजन

Ooitech का दृष्टिकोण

Ooitech का मानना है: सतह-इंजीनियर्ड In₂O₃ नैनोक्रिस्टल पुनर्संयोजन जंक्शनों के साथ HSM बल्क/इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग ने बड़े क्षेत्र के ऑल-पेरोव्स्काइट टेंडम मॉड्यूल को प्रमाणित 26.2% दक्षता तक पहुंचा दिया है, जिससे यह तकनीक व्यावसायीकरण की ओर एक निर्णायक कदम और करीब आ गई है।