पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडेम सेल: 8nm ITO इंटरकनेक्ट परत 31.80% दक्षता प्राप्त करती है
विषय-सूची
उत्पाद परिचय
मोनोलिथिक पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम सौर सेल एकल-जंक्शन उपकरणों की दक्षता सीमा को पार करने के सबसे स्पष्ट मार्गों में से एक हैं। शीर्ष सेल और निचला सेल एक पुनर्संयोजन इंटरकनेक्ट परत के माध्यम से श्रृंखला में जुड़े होते हैं, और यह इंटरफ़ेस कितना अच्छा है यह तय करता है कि वाहकों का परिवहन और पुनर्संयोजन सुचारू रूप से हो सकता है या नहीं। समस्या सिलिकॉन हेटरोजंक्शन (SHJ) निचले सेल की सूक्ष्म-पिरामिड बनावट वाली सतह पर है। पिरामिड लगभग 600 एनएम ऊंचे होते हैं, और उस भूभाग पर पुनर्संयोजन परत ऑप्टिकल परजीवी हानि से ग्रस्त होती है जबकि स्व-संयोजित मोनोलेयर (SAM) कभी समान रूप से नहीं फैलती। समय के साथ यह उपकरण के प्रदर्शन को कम कर देता है।
इस कार्य ने 2 से 30 एनएम मोटी इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) इंटरकनेक्ट परतों को मापा और पाया कि 8 एनएम की अति-पतली परत एक साथ दो मोर्चों पर सबसे अच्छा काम करती है: ऑप्टिकल हानि को कम करना और सतह क्षमता एकरूपता में सुधार करना। एक बार NiOx संशोधन और Poly-SAM कार्यात्मकता को शीर्ष पर रखे जाने के बाद, शॉर्ट-सर्किट धारा घनत्व 0.85 mA cm⁻² बढ़कर 20.82 mA cm⁻² तक पहुंच गया, बिजली रूपांतरण दक्षता 31.80% तक पहुंच गई, और अधिकतम पावर पॉइंट ट्रैकिंग के 500 घंटे के बाद भी उपकरण ने अपनी प्रारंभिक दक्षता का 96% बनाए रखा।
प्रयोगात्मक विधि
SHJ निचले सेल में n-प्रकार सिलिकॉन वेफर्स का उपयोग किया गया, 110 ± 10 µm मोटा, KOH दो-तरफा बनावट के साथ लगभग 600 एनएम ऊंचे पिरामिड में। RCA सफाई के बाद, PECVD ने क्रम में पैसिवेशन और डोप्ड परतें जमा कीं: सामने की ओर 8 एनएम आंतरिक a-Si:H(i) और 15 एनएम n-प्रकार nc-SiOx:H(n) मिला, पीछे की ओर 8 एनएम p-प्रकार a-Si:H(p) मिला, फिर पीछे 110 एनएम ITO स्पटर किया गया और 700 एनएम Ag वाष्पित किया गया। सामने की ओर, छह ITO इंटरकनेक्ट मोटाई अलग-अलग जमा की गईं: 2, 5, 8, 10, 20 और 30 एनएम, 180°C पर एनील्ड और लेजर स्क्राइब किया गया।
पेरोव्स्काइट टॉप सेल ने इस मार्ग का अनुसरण किया। बॉटम सेल को पहले एनील्ड और यूवी-ओजोन उपचारित किया गया, फिर मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग द्वारा NiOx जमा किया गया, उसके बाद एक और एनीलिंग और यूवी-ओजोन चरण किया गया। नाइट्रोजन ग्लवबॉक्स के अंदर, Poly-SAM को स्पिन-कोट किया गया (0.5 mg mL⁻¹, विलायक मेथनॉल और क्लोरोबेंजीन 1:1 पर) और 100°C पर एनील्ड किया गया। पेरोव्स्काइट Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ था जिसमें 1.68 eV बैंडगैप था, दो चरणों में स्पिन-कोट किया गया, उच्च गति चरण के दौरान एंटीसॉल्वेंट के रूप में क्लोरोबेंजीन टपकाया गया और 100°C पर 20 मिनट के लिए बेक किया गया। सतह को PDADI के साथ समायोजित किया गया, फिर C₆₀ को थर्मली वाष्पित किया गया, ALD द्वारा SnO₂ उगाया गया, 45 nm IZO स्पटर किया गया, Ag इलेक्ट्रोड वाष्पित किए गए, और अंत में MgF₂ एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म ने स्टैक को कवर किया।
तकनीकी लाभ
ITO इंटरकनेक्ट परत के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण
(a) मोटाई बनाम Rsh, Ne और µ (n = 10); (b) ITO परत की ऑप्टिकल अवशोषण और परावर्तन; (c) मोटाई बनाम कार्य फलन; (d) विभिन्न मोटाई पर NiOx उपचार से पहले और बाद में कार्य फलन परिवर्तन (ΔWF); (e) NiOx-संशोधित ITO पर SAM वितरण का योजनाबद्ध; (f) 2–30 nm इंटरकनेक्ट ITO के KPFM सतह क्षमता मानचित्र; (g) NiOx और Poly-SAM कार्यात्मककरण से पहले और बाद में 8 nm इंटरकनेक्ट ITO के KPFM सतह क्षमता मानचित्र।
हॉल प्रभाव मापों ने दिखाया कि फिल्म की मोटाई बढ़ने के साथ शीट प्रतिरोध घटता है, जो आप उम्मीद करेंगे। वाहक सांद्रता 8 से 30 nm के बीच काफी स्थिर रही, लगभग 2.8 से 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, लेकिन एक बार जब आप 8 nm से नीचे जाते हैं तो यह गिरने लगती है। गतिशीलता केवल संकीर्ण 2 से 8 nm विंडो में थोड़ी कम हुई, जो संकेत है कि फिल्म की अखंडता अभी भी बरकरार थी। 8 nm बिल्कुल मीठे स्थान पर आता है जहां शीट प्रतिरोध काफी कम है और विद्युत प्रदर्शन ध्वस्त नहीं हुआ है।
(a) टेक्सचर्ड c-Si बॉटम सेल सतह पर ITO परत का पीक-फिटेड O 1s उच्च-रिज़ॉल्यूशन XPS स्पेक्ट्रम। (b) NiOx संशोधन से पहले और बाद में टेक्सचर्ड c-Si बॉटम सेल पर 8 nm ITO परत के उच्च-रिज़ॉल्यूशन XPS स्पेक्ट्रम। (c) टेक्सचर्ड c-Si बॉटम सेल पर 8 nm ITO परत की क्रॉस-सेक्शन SEM छवि। (d) 8 nm ITO नमूने के केंद्रित क्षेत्र के संबंधित EDS तत्व मानचित्र, शीर्ष दाएं में रंग-तत्व लेजेंड के साथ।
ऑप्टिकली, ITO को पतला करने से 450 nm से ऊपर परावर्तन और अवशोषण दोनों नीचे खिंच गए, विनाशकारी हस्तक्षेप और कमजोर मुक्त-वाहक अवशोषण के कारण।
UPS ने दिखाया कि मोटाई घटने पर कार्य फलन बढ़ता है, और NiOx संशोधन तथा annealing के बाद कार्य फलन में बदलाव 8 nm पर चरम पर पहुंच गया।
KPFM क्षेत्र स्कैन से पता चला कि 10 nm से कम ITO ने सभी स्थानीय shunt बिंदुओं को दबा दिया, और 8 nm ने सर्वोत्तम एकरूपता दी।
XPS ने एक दिलचस्प विवरण उजागर किया: 8 nm ITO सतह पर 20 nm की तुलना में अधिक हाइड्रॉक्सिल घनत्व था, और उन हाइड्रॉक्सिल्स ने NiOx के साथ In─O─Ni ब्रिज बंध बनाए, जिससे NiOx अधिक समान रूप से फैल सका और अधिक मजबूती से चिपक सका। संशोधन के बाद In संकेत पूरी तरह से गायब हो गया, जो दर्शाता है कि कवरेज परत की गुणवत्ता उत्कृष्ट थी और बाद में होने वाले SAM स्व-संयोजन के लिए अच्छी नींव रखी।
SEM और EDS ने भी पुष्टि की कि 8 nm ITO ने बनावट पर अनुरूप कवरेज दिया।
टेंडम सेल फोटोवोल्टिक प्रदर्शन
(a) पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम सेल में Jsc की भिन्नता; (b) Voc की भिन्नता; (c) FF की भिन्नता; (d) PCE की भिन्नता; (e) ITO पर टेंडम सेल की क्रॉस-सेक्शन SEM छवि; (f) ITO पर पेरोव्स्काइट फिल्म का XRD पैटर्न; (g) ITO पर पेरोव्स्काइट फिल्म का स्थिर-अवस्था PL स्पेक्ट्रम; (h) सामान्यीकृत स्थिर-अवस्था PL वक्र; (i) ITO पर पेरोव्स्काइट फिल्म के क्षणिक TRPL क्षय स्पेक्ट्रा; (j) टेंडम सेल की फोटोल्यूमिनेसेंस छवि, सक्रिय क्षेत्र 0.928 cm²।
सभी छह ITO इंटरकनेक्ट मोटाई का J-V परीक्षण किया गया।
5 nm से नीचे, Voc और FF में भारी गिरावट आई। Voc को 1.7 V से आगे नहीं बढ़ाया जा सका और PCE केवल 21.68% रहा, मुख्यतः क्योंकि फिल्म पिरामिड बनावट पर पहले से ही असंतत थी।
8 nm सबसे अच्छा उत्तर था। क्रॉस-सेक्शन SEM ने दिखाया कि अल्ट्रा-पतले ITO (10 nm से कम) पर पेरोव्स्काइट अनाज बड़े और सघन थे, और XRD ने बेहतर क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि की, हालांकि 5 nm नमूने में PbI₂ शिखर दिखा, जो संकेत है कि क्षरण पहले ही शुरू हो चुका था। स्थिर-अवस्था PL तीव्रता 30 nm से 8 nm तक लगातार बढ़ी, फिर गिर गई, इसलिए 8 nm ठीक शिखर पर था, जो सबसे कम दोष घनत्व से मेल खाता है।
सामान्यीकृत PL विशेषता शिखर स्थानांतरित नहीं हुआ, जिसका अर्थ है कि इंटरफेस गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन की प्रकृति समान रही। TRPL वाहक जीवनकाल भी 8 nm पर सबसे लंबा था। ये परिणाम मजबूत शुद्ध द्विध्रुव और अधिक समान कार्य फलन से उत्पन्न होते हैं जो Poly-SAM लाता है, जिससे Voc और FF दोनों में वृद्धि होती है। PL इमेजिंग ने पेरोव्स्काइट उप-सेल के भीतर उप-माइक्रोन गैर-एकरूपता भी उजागर की, लेकिन अल्ट्रा-पतली उच्च-प्रतिरोध ITO परत में उच्च पार्श्व प्रतिरोधकता होती है, इसलिए स्थानीय shunting की पहुंच प्रभावी रूप से सीमित रही और पूरे उपकरण को कभी नीचे नहीं खींचा।
धारा घनत्व में सुधार
(a) 8 nm ITO इंटरकनेक्ट परत के तहत पेरोव्स्काइट और सिलिकॉन उप-कोशिकाओं के EQE वक्र; (b) प्रारंभिक और अनुकूलित टंडेम कोशिकाओं के EQE वक्र।
सामने की IZO परत का मूल्यांकन फिगर ऑफ मेरिट Aw × Rsheet⁻¹ द्वारा किया गया, और 45 nm सर्वश्रेष्ठ पाया गया। इंटरकनेक्ट ITO को 20 nm से घटाकर 10 nm और फिर 8 nm करने से औसत Jsc 19.78 से बढ़कर 19.96 और फिर 20.55 mA cm⁻² हो गया। पेरोव्स्काइट और सिलिकॉन उप-कोशिकाओं के EQE-एकीकृत धारा घनत्व क्रमशः 20.64 और 20.51 mA cm⁻² थे, जो J-V डेटा के अनुरूप हैं। 20 nm ITO की तुलना में, 8 nm ने पेरोव्स्काइट उप-कोशिका को अतिरिक्त 0.06 mA cm⁻² और सिलिकॉन उप-कोशिका को अतिरिक्त 0.47 mA cm⁻² दिया, जिसमें सिलिकॉन निचली कोशिका से निकट-अवरक्त योगदान सबसे अधिक लाभान्वित हुआ।
उत्पाद अनुप्रयोग
डिवाइस प्रदर्शन और स्थिरता
(a) पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टंडेम सौर सेल की योजनाबद्ध संरचना और तस्वीर; (b) टंडेम सेल की क्रॉस-सेक्शन SEM छवि; (c) सिंगल-जंक्शन पेरोव्स्काइट और सिलिकॉन उप-कोशिकाओं के J-V वक्र; (d) उच्च-प्रदर्शन सेल का प्रतिनिधि J-V वक्र; (e) 30 nm से 2 nm ITO इंटरकनेक्ट परतों पर निर्मित पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टंडेम कोशिकाओं में Rs की भिन्नता; (f) 1-सूर्य रोशनी के तहत एनकैप्सुलेटेड टंडेम सेल के MPPT परीक्षण परिणाम।
एक बार ITO इंटरकनेक्ट मोटाई को समायोजित कर लिया गया, टंडेम डिवाइसों की औसत PCE 28.64% से बढ़कर 30.67% हो गई। 2 nm ITO ने श्रृंखला प्रतिरोध Rs को 41.26 Ω तक बढ़ा दिया, इसलिए श्रृंखला कनेक्शन अनिवार्य रूप से टूट गया था। 8 nm का Rs काफी कम था, आंतरिक प्रतिबाधा कम हुई, और अधिकतम पावर पॉइंट के पास वोल्टेज हानि कम हुई। स्थिरता पर, 8 nm ITO टंडेम सेल ने 500 घंटे के MPPT के बाद अपनी प्रारंभिक PCE का 96% बनाए रखा, जबकि 20 nm वाले ने केवल 90% रखा, जिससे यह TCO/SAM इंटरकनेक्ट परिवार में सबसे स्थिर में से एक बन गया। इतना स्थिर क्यों? Poly-SAM कवरेज उच्च है, और पेरोव्स्काइट क्रिस्टलीकरण इसके साथ बेहतर होता है।
SAM द्वारा कवर किए गए क्षेत्रों में सतह ऊर्जा कम होती है, और फॉस्फोनिक एसिड समूह Pb²⁺ और FA⁺ के साथ समन्वय करते हैं, जिससे पेरोव्स्काइट धीरे-धीरे और व्यवस्थित रूप से बढ़ता है, इसलिए अनाज बड़े निकलते हैं। नंगे ITO क्षेत्रों पर ऐसा कोई टेम्पलेट प्रभाव नहीं होता, न्यूक्लिएशन तेज़ और अव्यवस्थित होता है, और अनाज छोटे और कई अनाज सीमाओं के साथ समाप्त होते हैं। इसके अलावा, Poly-SAM इंटरफ़ेस पर असंतृप्त बंधों और हैलाइड रिक्तियों को निष्क्रिय करता है, हैलाइड प्रवासन दब जाता है, और गिरावट धीमी हो जाती है। अल्ट्राथिन ITO द्वारा लाया गया समान सतह क्षमता भी मदद करता है, और कई कारकों के एक साथ जुड़ने से डिवाइस का जीवनकाल बढ़ जाता है।
यहाँ MPPT स्थिरता परीक्षण 3A+ ग्रेड के LED सौर सिम्युलेटर पर निर्भर करता है जो एजिंग प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य करता है, जो सेल तापमान और आसपास के वातावरण को कई तरीकों से नियंत्रित कर सकता है ताकि दीर्घकालिक स्थिरता परीक्षण चलाया जा सके।
निष्कर्ष और भविष्य की संभावनाएँ
8 nm पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टंडेम सेल के लिए इष्टतम ITO इंटरकनेक्ट मोटाई है। यह मोटाई पेरोव्स्काइट क्रिस्टलीय गुणवत्ता को बढ़ाती है और परजीवी अवशोषण को कम रखती है। NiOx संशोधन और Poly-SAM कार्यात्मककरण के बाद, सतह क्षमता अधिक समान हो जाती है और कार्य फलन परिवर्तन अधिक स्पष्ट होता है। 8 nm ITO सतह पर अधिक हाइड्रॉक्सिल होते हैं, NiOx समान रूप से फैलता है, SAM घनी तरह से पैक होता है, और बनावट पर अनुरूप कवरेज SEM और EDS द्वारा सत्यापित की गई थी। पारंपरिक 20 nm ITO के मुकाबले, अनुकूलित डिवाइस ने 31.80% की चैंपियन दक्षता हासिल की, Jsc में 0.85 mA cm⁻² की वृद्धि हुई, और 500 घंटे के MPPT के बाद प्रारंभिक दक्षता का 96% बरकरार रहा।
आगे देखते हुए, अभी भी बहुत कुछ सुधारा जा सकता है। पिछली बनावट और ऑप्टिकल परावर्तक को और परिष्कृत किया जा सकता है ताकि सिलिकॉन निचले सेल में प्रकाश जाल को मजबूत किया जा सके, इसकी धारा बढ़ाई जा सके, और धारा मिलान को सुनिश्चित किया जा सके। FF और Voc समग्र दक्षता को सीमित करने वाली बाधाएँ बनी हुई हैं, इसलिए संपर्क निष्क्रियकरण रणनीतियों को और गहरा करने की आवश्यकता है। सिलिकॉन-आधारित टनल जंक्शन जैसे वैकल्पिक इंटरकनेक्ट आर्किटेक्चर भी आज़माने लायक हैं। जब उत्पादन में बड़े पैमाने पर विस्तार की बात आती है, तो TCO मोटाई और मेटलाइज़ेशन ग्रिड डिज़ाइन को एक साथ समायोजित करना होता है, ताकि बड़े क्षेत्रों में छायांकन बहुत भारी न हो और पार्श्व चालन प्रभावित न हो। और पतली परत के साथ, इंडियम का उपयोग कम हो जाता है, इसलिए स्थिरता को भी लाभ होता है।
Ooitech का दृष्टिकोण
यहाँ जो खास बात है वह यह है कि कुछ नैनोमीटर का ITO उस 600 nm पिरामिड बनावट पर प्रकाशिकी और क्रिस्टलीकरण दोनों को प्रभावित कर सकता है, और वही कन्फॉर्मल-कवरेज समस्या ठीक वैसी ही दिखती है जब टंडेम लाइनें लैब कूपन से पूर्ण-आकार के मॉड्यूल में जाती हैं। उत्पादन मंजिल पर टैबर-स्ट्रिंगर, ले-अप और लेमिनेशन चरणों को इन नाजुक इंटरकनेक्ट और SAM इंटरफेस का सम्मान करना होता है, यही वह जगह है जहाँ समान, अच्छी तरह से ट्यून की गई मॉड्यूल-लाइन उपकरण अपना महत्व साबित करती है। यदि आप देखना चाहते हैं कि ये प्रक्रियाएँ वास्तविक फैक्ट्री पैमाने पर कैसी दिखती हैं, तो Ooitech YouTube चैनल पर www.youtube.com/ooitech फॉलो करने लायक है।
