26.2% प्रमाणित दक्षता में सफलता

त्वरित उत्तर: एक ऑल-पेरोव्स्काइट टैंडेम सोलर मॉड्यूल ने 26.2% प्रमाणित दक्षता हासिल की है, यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि ऑल-पेरोव्स्काइट सिलिकॉन बॉटम सेल को पूरी तरह से टालता है। मॉड्यूल ने लगभग 2.182 V का ओपन-सर्किट वोल्टेज प्रदर्शित किया, जो एकल-जंक्शन सिलिकॉन सेल के लगभग दोगुने के करीब है और श्रृंखला में दो जंक्शनों का संकेत है। प्रमाणन परीक्षण में 85 °C पर डैम्प-हीट एक्सपोज़र और IEC 61215 यांत्रिक आवश्यकताएं शामिल थीं, जिसमें 5 mm से 30 mm क्लास टेस्ट ज्यामिति थी। पेरोव्स्काइट टैंडेम ऐतिहासिक रूप से दक्षता के बजाय स्थिरता पर विफल रहा है, और यही कारण है कि एक प्रमाणित परिणाम प्रयोगशाला रिकॉर्ड से अलग होता है। उत्पादन तक शेष अंतर क्षेत्र है: अधिकांश रिकॉर्ड छोटे मॉड्यूल पर हैं, और पिनहोल और एकरूपता हानि के बिना एक पेरोव्स्काइट कोटिंग को पूर्ण-आकार के मॉड्यूल तक स्केल करना एक अलग इंजीनियरिंग समस्या है।

PV मॉड्यूल निर्माण · Jerry, Ooitech द्वारा

परिचय

ऑल-पेरोवस्काइट टेंडेम 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 व्यावसायीकरण गंभीर रूप से बाधित रहा है। जबकि छोटे-क्षेत्र के उपकरण पहले ही 30% दक्षता पार कर चुके हैं, बड़े-क्षेत्र मॉड्यूल (≥20 cm²) लंबे समय से लगभग 24.5% पर अटके हुए हैं। मुख्य कारण पारंपरिक सोने-आधारित टनल 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 गैर-समान क्रिस्टलीकरण के कारण बड़े-क्षेत्र Pb-Sn पेरोवस्काइट फिल्मों में बिगड़ा हुआ आवेश परिवहन है।

यह अध्ययन सतह-इंजीनियर In₂O₃ नैनोक्रिस्टल पर निर्मित एक समाधान-प्रक्रियित TRJ विकसित करता है। नैनोक्रिस्टल आकृति विज्ञान और सतह रसायन को ट्यून करके, टीम ने उच्च ऑप्टिकल पारदर्शिता, चिकनी अंतरफलक, और आदर्श ऊर्जा-स्तर संरेखण प्राप्त किया। साथ ही, Pb-Sn पेरोवस्काइट 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 फिल्मों में अवशिष्ट तनाव को कम करने के लिए क्रिस्टलीकरण गतिकी को ट्यून किया जा सके। यह संयुक्त रणनीति एक साथ जंक्शन पर वाहक पुनर्संयोजन दक्षता, आवेश निष्कर्षण, और बड़े-क्षेत्र फिल्म एकरूपता को बढ़ाती है, अंततः 65 cm² एपर्चर क्षेत्र पर JET-प्रमाणित 26.2% दक्षता प्रदान करती है (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — ऑल-पेरोवस्काइट टेंडेम फोटोवोल्टिक्स को बड़े पैमाने पर लाने की राह पर एक प्रमुख मील का पत्थर।

नए TRJ का डिज़ाइन और लाभ

यह कार्य एक समाधान-प्रक्रियित विकल्प प्रस्तावित करता है: सतह-इंजीनियर 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 के साथ तुलना की गई है।

संरचना और इंटरफेस विशेषताएँ

स्व-संश्लेषित In₂O₃ NCs का कण आकार वाणिज्यिक ITO NCs की तुलना में बहुत छोटा होता है, जिससे एक चिकना बर्ड इंटरफेस बनता है और संपर्क दोष घनत्व प्रभावी रूप से कम होता है। विद्युत परीक्षण दर्शाते हैं कि Type III संरचना आदर्श ओमिक संपर्क व्यवहार प्रदर्शित करती है जिसमें कोई चार्ज परिवहन अवरोध नहीं होता।

ऑप्टिकल और तापीय स्थिरता

ऑप्टिकल विशेषता दर्शाती है कि Type I में PEDOT:PSS गंभीर परजीवी अवशोषण हानि का कारण बनता है, जबकि In₂O₃ NC फिल्म अत्यधिक ऑप्टिकल रूप से पारदर्शी है। 85°C त्वरित तापीय उम्र बढ़ने के तहत, Type I मॉड्यूल दक्षता 50 घंटों के भीतर अपने प्रारंभिक मूल्य के आधे से नीचे गिर गई, जबकि NC-आधारित Type II और Type III ने 200 घंटों के बाद प्रारंभिक दक्षता का लगभग 75% बनाए रखा। 10×10 cm² सब्सट्रेट पर, ब्लेड-कोटेड NC फिल्मों ने पतली थर्मल रूप से 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 पेरोवस्काइट फिल्म निर्माण का अनुकूलन

TRJ की ऑप्टिकल हानि और अस्थिरता के समाधान के साथ, बड़े-क्षेत्र Pb-Sn पेरोवस्काइट फिल्मों का समान निर्माण अगली तकनीकी बाधा बन गया। पारंपरिक DMF/DMSO विलायक प्रणालियों में उच्च क्वथनांक और धीमी वाष्पशीलता होती है, इसलिए उनकी न्यूक्लियेशन गतिकी उच्च गति ब्लेड कोटिंग के दौरान पीछे रह जाती है, जिससे बड़े सब्सट्रेट पर समान फिल्में बनाना कठिन हो जाता है।

इसे हल करने के लिए, टीम ने 2-मेथॉक्सीएथेनॉल (2-Me) और टेट्राहाइड्रोफ्यूरान (THF) पर आधारित एक द्विआधारी विलायक प्रणाली विकसित की। अपने कम क्वथनांक और उच्च वाष्प दबाव के साथ, यह प्रणाली तेजी से महत्वपूर्ण सुपरसैचुरेशन तक पहुँचती है और न्यूक्लियेशन को स्पष्ट रूप से तेज करती है। इसका उपयोग करके, Pb-Sn पेरोवस्काइट ब्लेड-कोटिंग गति पारंपरिक DMF प्रणाली में 5 mm/s से बढ़ाकर 30 mm/s तक कर दी गई, जिससे 10×10 cm² और बड़े सब्सट्रेट पर अत्यधिक समान फोटोल्यूमिनेसेंस (PL) तीव्रता और उत्कृष्ट डिवाइस स्थिरता प्राप्त हुई। इसने बड़े-क्षेत्र 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 पेरोवस्काइट और NC परत के बीच बढ़े हुए इंटरफेसियल परिवहन अवरोध और गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन को बताया गया। 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 विनिमय के माध्यम से, MMES और MMPA का उपयोग In₂O₃ NCs की सतह को संशोधित करने के लिए किया गया। UV फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (UPS) ने दिखाया कि MMPA-संशोधित In₂O₃ NCs लक्षित पेरोव्स्काइट फिल्म के साथ अनुकूल इंटरफेशियल बैंड झुकाव (लगभग 50 meV का ऊपर की ओर झुकाव) प्राप्त करते हैं, जो होल निष्कर्षण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ावा देता है, जबकि OAm या MMES संशोधन ने नीचे की ओर झुकाव और परिवहन अवरोध पैदा किया। 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 सामग्री (HSM) के साथ बल्क डोपिंग

टीम ने फॉस्फोनिक-एसिड HSM जैसे MeO-2PACz को सीधे Pb-Sn पेरोव्स्काइट अग्रदूत में डोप किया (0.2 mol% पर अनुकूलित) बजाय उन्हें केवल इंटरफेस संशोधन तक सीमित रखने के। यह बल्क डोपिंग रणनीति बड़े क्षेत्रों में 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 की विशेषता कमजोर हो गई, जो In₂O₃ NCs के ऊर्जा स्तरों से बेहतर मेल खाती है। परिणामी HTL-मुक्त एकल-जंक्शन Pb-Sn सेल 23% दक्षता तक पहुंच गया, जबकि In₂O₃-MMPA NCs को होल ट्रांसपोर्ट लेयर (HTL) के रूप में उपयोग करने वाले ब्लेड-कोटेड डिवाइस ने 33.8 mA cm⁻² की उच्च JSC के साथ 24.0% रिवर्स-स्कैन दक्षता हासिल की।

पेरोव्स्काइट फिल्म पर HSM की बहु-भूमिकाएँ

HSM की भूमिका चार्ज परिवहन से कहीं आगे तक जाती है — यह फिल्म क्रिस्टलीकरण और दोष निष्क्रियता को गहराई से प्रभावित करती 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 पार करने वाली डेंड्रिटिक अशुद्धियाँ गायब हो गईं, अनाज का आकार काफी बढ़ गया, और अनाज की सीमाओं ने "फ्यूज्ड" रूप धारण कर लिया। GIWAXS और XRD ने पुष्टि की कि HSM ने PbI₂ अशुद्धता चरण के गठन को प्रभावी ढंग से दबा दिया। तरल-अवस्था ¹H NMR ने आगे खुलासा किया कि HSM, प्राथमिक डीप्रोटोनेशन के माध्यम से, मुक्त अम्लीय फॉस्फोनिक समूहों का उपभोग करता है, जिससे FA⁺ कटियन का अम्लीय डीप्रोटोनेशन रुकता है और अग्रदूत रसायन स्थिर होता है।

बेहतर वाहक गतिशीलता

क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TAS) ने दिखाया कि HSM डोपिंग के बाद दोष-सहायित गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन काफी हद तक दब गया था। 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 हुई। 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 आधारित होकर, टीम ने 65 cm² एपर्चर क्षेत्र (श्रृंखला में 14 उप-कोशिकाएं) के साथ एक ऑल-पेरोव्स्काइट टंडेम मॉड्यूल बनाया। टाइप III (In₂O₃-MMPA) TRJ का उपयोग करने वाले चैंपियन मॉड्यूल ने 26.6% प्रयोगशाला-परीक्षण दक्षता (रिवर्स स्कैन) हासिल 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 प्रदर्शन करती है। डेड-ज़ोन अनुकूलन के बाद, ज्यामितीय फिल फैक्टर 96.5% तक पहुंच गया, जिससे समतुल्य सक्रिय-क्षेत्र दक्षता 27.6% जितनी अधिक हुई। EQE स्थानिक मैपिंग ने दिखाया कि, 16 विभिन्न स्थितियों में, शीर्ष और निचली उप-कोशिकाओं की एकीकृत वर्तमान घनत्व क्रमशः 16.3 और 16.2 mA cm⁻² की औसत 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 निरंतर 1-सन MPP ट्रैकिंग के तहत 771 घंटे का T90 जीवनकाल (प्रारंभिक दक्षता का 90% बनाए रखना) तक पहुंच गया, और 1000 घंटों के बाद भी 82.5% दक्षता बनाए रखी। कठोर 85°C/85% RH डैम्प-हीट परीक्षण (ISOS-D-3) में, टाइप III मॉड्यूल 1000 घंटे का औसत T84 जीवनकाल तक पहुंच गया, जबकि टाइप I मॉड्यूल पहले ही 40% दक्षता से नीचे गिर चुका था; -40°C से 85°C 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 की गई अस्थिरता कारकों को पूरी तरह से समाप्त करने से उत्पन्न होती है।

सतह-इंजीनियर्ड In₂O₃ नैनोक्रिस्टल पुनर्संयोजन जंक्शनों और सहक्रियात्मक बल्क/इंटरफेस HSM इंजीनियरिंग के माध्यम से, इस कार्य ने 65 सेमी² एपर्चर क्षेत्र पर 26.2% प्रमाणित दक्षता वाला ऑल-पेरोव्स्काइट टंडेम सौर मॉड्यूल सफलतापूर्वक प्राप्त किया, जिससे मॉड्यूल आकार, दक्षता और परिचालन स्थिरता में व्यापक सफलताएँ मिलीं। यह कार्य ऑल-पेरोव्स्काइट टंडेम फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी की व्यावसायीकरण क्षमता को दृढ़ता से प्रदर्शित करता है। आगे देखते हुए, मॉड्यूल क्षेत्र को 800 सेमी² से परे ले जाने 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, समान निर्माण सुनिश्चित हो सके।

संदर्भ और परीक्षण उपकरण

A+AA+ ग्रेड LED का उपयोग एजिंग स्रोत के रूप में करने वाला एक कंपोजिट पेरोव्स्काइट MPPT टेस्टर, उन्नत तकनीक और बहुक्रियात्मक डिज़ाइन के माध्यम से पेरोव्स्काइट सोलर सेल अनुसंधान के लिए मजबूत समर्थन प्रदान करता है। ऐसे उपकरण मुख्य रूप से तैयार पेरोव्स्काइट सिंगल-जंक्शन और टैंडेम सेल के स्थिरता परीक्षण के लिए उपयोग किए जाते हैं। चूंकि पेरोव्स्काइट सेल 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 कंट्रोलर वास्तविक समय में अधिकतम पावर पॉइंट को ट्रैक और लॉक करता है, जिससे सिस्टम हमेशा इष्टतम पावर आउटपुट पर संचालित होता है। जंक्शन बॉक्स सेल सर्किट से विद्युत आउटपुट एकत्र करता है और मॉड्यूल तथा बाहरी PV सिस्टम के बीच कनेक्शन प्रदान करता है। इसे उम्र बढ़ाने वाला स्रोत उन्नत तकनीक और बहुक्रियात्मक डिज़ाइन के माध्यम से पेरोव्स्काइट सौर सेल अनुसंधान के लिए मजबूत समर्थन प्रदान करता है। ऐसे उपकरण मुख्य रूप से तैयार पेरोव्स्काइट सिंगल-जंक्शन और टैंडेम सेल की स्थिरता परीक्षण के लिए उपयोग किए जाते हैं। चूंकि पेरोव्स्काइट सेल 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, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सिस्टम हमेशा इष्टतम पावर आउटपुट पर काम करता है।

संदर्भ: ऑल-पेरोव्स्काइट टंडेम सौर मॉड्यूल के लिए नैनोक्रिस्टल-अनुरूपित पुनर्संयोजन

Ooitech का दृष्टिकोण

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