उत्पाद परिचय

मोनोलिथिक पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम सौर कोशिकाएं 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 को सुचारू रूप से परिवहन और पुनर्संयोजित किया जा सकता है या नहीं। समस्या सिलिकॉन हेटरोजंक्शन (SHJ) निचली सेल की माइक्रो-पिरामिड बनावट वाली सतह पर है। पिरामिड लगभग 600 nm 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 फैलता। समय के साथ यह उपकरण के प्रदर्शन को कम करता है।

इस कार्य ने 2 से 30 nm मोटी इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) इंटरकनेक्ट परतों को मापा और पाया कि एक अल्ट्रा-पतली 8 nm 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 कार्यात्मकीकरण को शीर्ष पर रखा गया, तो शॉर्ट-सर्किट वर्तमान घनत्व 0.85 mA cm⁻² बढ़कर 20.82 mA cm⁻² तक पहुंच गया, बिजली रूपांतरण दक्षता 31.80% तक पहुंच गई, और 500 घंटे के अधिकतम पावर पॉइंट ट्रैकिंग के बाद भी उपकरण ने अपनी प्रारंभिक दक्षता का 96% बनाए रखा।

प्रायोगिक विधि

SHJ निचली सेल में n-प्रकार सिलिकॉन वेफर्स, 110 ± 10 µm मोटे, KOH डबल-साइड टेक्सचर्ड का उपयोग किया गया जो लगभग 600 nm ऊंचे पिरामिड में बदल गए। RCA सफाई के बाद, PECVD ने क्रम में पैसिवेशन और डोप्ड परतें जमा कीं: सामने की तरफ 8 nm आंतरिक a-Si:H(i) और 15 nm n-प्रकार nc-SiOx:H(n) मिला, पीछे की तरफ 8 nm p-प्रकार a-Si:H(p) मिला, फिर पीछे 110 nm ITO स्पटर किया गया और 700 nm Ag वाष्पित किया गया। सामने की तरफ, छह ITO इंटरकनेक्ट मोटाई अलग-अलग जमा की गईं: 2, 5, 8, 10, 20 और 30 nm, 180°C पर एनील्ड और लेजर स्क्राइब किया गया।

पेरोव्स्काइट शीर्ष कोशिका ने इस मार्ग का अनुसरण किया। निचली कोशिका को पहले एनील्ड और UV-ओजोन उपचारित किया गया, फिर NiOx को मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग द्वारा जमा किया गया, उसके बाद एक और एनील और UV-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 में) 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 क्लोरोबेंजीन को एंटीसॉल्वेंट के रूप में टपकाया गया और 100°C पर 20 मिनट के लिए बेक किया गया। सतह को PDADI से ट्वीक किया गया, फिर C₆₀ को थर्मली वाष्पित किया गया, SnO₂ को ALD द्वारा उगाया गया, 45 nm IZO स्पटर किया गया, Ag इलेक्ट्रोड वाष्पित किए गए, और अंत में MgF₂ एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म ने स्टैक को कैप किया।

तकनीकी लाभ

ITO इंटरकनेक्ट परत के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण

(a) मोटाई बनाम Rsh, Ne और µ (n = 10); (b) ITO परत का ऑप्टिकल अवशोषण और परावर्तन; (c) मोटाई बनाम कार्य फलन; (d) विभिन्न मोटाई पर NiOx उपचार से पहले और बाद में कार्य फलन शिफ्ट (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 कार्यात्मकीकरण से पहले और बाद में 8 nm इंटरकनेक्ट ITO के KPFM सतह क्षमता मानचित्र।

हॉल प्रभाव मापों ने दिखाया कि फिल्म की मोटाई बढ़ने पर शीट प्रतिरोध घटता है, जैसा कि आप उम्मीद करेंगे। वाहक सांद्रता 8 और 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 लगता है। गतिशीलता संकीर्ण 2 से 8 nm विंडो में केवल थोड़ी कम हुई, जो फिल्म की अखंडता के अभी भी बरकरार रहने का संकेत है। 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 निचली कोशिका सतह पर ITO परत का पीक-फिटेड O 1s उच्च-रिज़ॉल्यूशन XPS स्पेक्ट्रम। (b) NiOx संशोधन से पहले और बाद में टेक्सचर्ड c-Si निचली कोशिका पर 8 nm ITO परत के उच्च-रिज़ॉल्यूशन XPS स्पेक्ट्रा। (c) टेक्सचर्ड c-Si निचली कोशिका पर 8 nm ITO परत का क्रॉस-सेक्शन SEM चित्र। (d) 8 nm ITO नमूने के केंद्रित क्षेत्र के संबंधित EDS तत्व मानचित्र, शीर्ष दाएं में रंग-तत्व किंवदंती 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 कम होने पर कार्य फलन बढ़ता है, और NiOx संशोधन और एनीलिंग 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 शंट बिंदुओं को दबा दिया, जिसमें 8 nm ने सर्वोत्तम एकरूपता दी।

• XPS ने एक दिलचस्प विवरण सामने लाया: 8 nm ITO सतह पर 20 nm की तुलना में अधिक हाइड्रॉक्सिल घनत्व था, और उन हाइड्रॉक्सिल ने NiOx के साथ In─O─Ni ब्रिज बंध बनाए, जिससे NiOx अधिक समान रूप से फैल गया और अधिक मजबूती से चिपक गया। संशोधन के बाद In संकेत पूरी तरह से गायब हो गया, जो दर्शाता है कि कवरेज परत की गुणवत्ता उत्कृष्ट थी और उसने बाद में होने वाले SAM स्व-संयोजन के लिए एक अच्छी नींव रखी।

• SEM और EDS ने भी पुष्टि की कि 8 nm ITO ने बनावट पर अनुरूप कवरेज दिया।

टंडेम सेल फोटोवोल्टिक प्रदर्शन

(a) पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टंडेम कोशिकाओं में Jsc की भिन्नता; (b) Voc की भिन्नता; (c) FF की भिन्नता; (d) PCE की भिन्नता; (e) ITO पर टंडेम 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) टंडेम 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 अल्ट्राथिन ITO (10 nm से कम) पर बड़े और सघन पेरोव्स्काइट अनाज दिखाए, और XRD ने बेहतर क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि की, हालांकि 5 nm नमूने ने PbI₂ शिखर दिखाया, जो क्षरण शुरू होने का संकेत है। स्थिर-अवस्था PL तीव्रता 30 nm से 8 nm तक बढ़ती गई, फिर गिर गई, इसलिए 8 nm बिल्कुल शिखर पर बैठा, जो सबसे कम दोष घनत्व से मेल खाता है।

• सामान्यीकृत PL विशेषता शिखर स्थानांतरित नहीं हुआ, जिसका अर्थ है कि इंटरफ़ेस 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 पर वापस जाते हैं जो Poly-SAM लाता है, जो Voc और FF को एक साथ बढ़ाता है। PL इमेजिंग ने पेरोव्स्काइट उप-कोशिका के अंदर उप-माइक्रोन गैर-एकरूपता भी उजागर की, लेकिन अल्ट्राथिन उच्च-प्रतिरोध ITO परत में उच्च पार्श्व प्रतिरोधकता है, इसलिए स्थानीय शंटिंग की पहुंच प्रभावी रूप से सीमित हो गई और पूरे उपकरण को 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 टेंडम कोशिकाओं के EQE वक्र।

सामने की IZO परत का मूल्यांकन फिगर ऑफ मेरिट Aw × Rsheet⁻¹ द्वारा किया गया, और 45 nm सबसे अच्छा पाया गया। इंटरकनेक्ट ITO को 20 nm से 10 nm से 8 nm तक पतला करने से औसत Jsc 19.78 से 19.96 से 20.55 mA cm⁻² तक बढ़ 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

उपकरण प्रदर्शन और स्थिरता

(a) पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम सौर सेल की योजनाबद्ध संरचना और फोटोग्राफ; (b) टेंडम सेल का क्रॉस-सेक्शनल SEM चित्र; (c) एकल-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 टेंडम कोशिकाओं में Rs की भिन्नता; (f) 1-सूर्य प्रकाश के तहत एनकैप्सुलेटेड टेंडम सेल के MPPT परीक्षण परिणाम।

एक बार ITO इंटरकनेक्ट मोटाई को समायोजित कर लिया गया, तो टेंडम उपकरणों की औसत PCE 28.64% से बढ़कर 30.67% हो गई। 2 nm ITO में श्रृंखला प्रतिरोध Rs 41.26 Ω जितना अधिक था, इसलिए श्रृंखला कनेक्शन मूल रूप से टूट गया था। 8 nm का Rs काफी कम था, आंतरिक प्रतिबाधा कम हो गई, और अधिकतम शक्ति बिंदु के पास वोल्टेज हानि कम हो गई। स्थिरता पर, 8 nm ITO टेंडम सेल ने MPPT के 500 घंटों के बाद अपनी प्रारंभिक PCE का 96% बनाए रखा, जबकि 20 nm वाले ने केवल 90% रखा, जो इसे TCO/SAM इंटरकनेक्ट परिवार में सबसे स्थिर में से एक बनाता है। इतना स्थिर क्यों? पॉली-SAM कवरेज अधिक है, और इसके साथ पेरोव्स्काइट क्रिस्टलीकरण में सुधार 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, जो पेरोव्स्काइट को धीरे-धीरे और व्यवस्थित रूप से बढ़ने का मार्गदर्शन करते हैं, जिससे बड़े दाने निकलते हैं। नंगे ITO क्षेत्रों पर ऐसा कोई टेम्पलेट प्रभाव नहीं होता, न्यूक्लिएशन तेज और अव्यवस्थित होता है, और दाने छोटे और कई अनाज सीमाओं के साथ समाप्त होते हैं। इसके अलावा, Poly-SAM इंटरफेस 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 एकसमान सतह क्षमता भी मदद करता है, और कई कारकों के एक साथ आने से उपकरण का जीवनकाल बढ़ जाता है।

यहां MPPT स्थिरता परीक्षण 3A+ ग्रेड के LED सौर सिम्युलेटर पर निर्भर करता है जो उम्र बढ़ने के प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य करता है, जो कोशिका तापमान और आसपास के वातावरण को कई तरीकों से नियंत्रित कर सकता है ताकि दीर्घकालिक स्थिरता परीक्षण किया जा सके।

निष्कर्ष और भविष्य की संभावनाएं

पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टंडम कोशिकाओं के लिए 8 nm इष्टतम ITO इंटरकनेक्ट मोटाई है। यह मोटाई पेरोव्स्काइट क्रिस्टलीय गुणवत्ता को बढ़ाती है और परजीवी अवशोषण को कम करती है। NiOx संशोधन और Poly-SAM कार्यात्मकता के बाद, सतह क्षमता अधिक एकसमान हो जाती है और कार्य फलन बदलाव अधिक स्पष्ट होता है। 8 nm ITO सतह पर अधिक हाइड्रॉक्सिल होते हैं, NiOx समान रूप से फैलता है, SAM घनी पैक होता है, और बनावट पर अनुरूप कवरेज SEM और EDS द्वारा सत्यापित किया गया था। पारंपरिक 20 nm ITO के मुकाबले, अनुकूलित उपकरण ने 31.80% की चैंपियन दक्षता हासिल की, जिसमें 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। पीछे की बनावट और ऑप्टिकल रिफ्लेक्टर को और परिष्कृत किया जा सकता है ताकि सिलिकॉन निचली कोशिका 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 बाधाएं बनी हुई हैं, इसलिए संपर्क निष्क्रियता रणनीतियों को और गहराई से जाने की आवश्यकता है। सिलिकॉन-आधारित टनल जंक्शन जैसी वैकल्पिक इंटरकनेक्ट आर्किटेक्चर भी आजमाने लायक हैं। जब उत्पादन में पैमाना बढ़ाने की बात आती है, तो TCO मोटाई और मेटलाइज़ेशन ग्रिड डिज़ाइन को एक साथ ट्यून 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, जिससे स्थिरता को भी लाभ होता है।

Ooitech का दृष्टिकोण

यहाँ जो बात सामने आती है वह यह है कि ITO के कुछ नैनोमीटर उस 600 nm पिरामिड बनावट पर प्रकाशिकी और क्रिस्टलीकरण दोनों को प्रभावित कर सकते हैं, और वही अनुरूप-आवरण समस्या तब सामने आती है जब टंडेम लाइनें प्रयोगशाला कूपन से पूर्ण आकार के मॉड्यूल में जाती हैं। उत्पादन फर्श पर टैबर-स्ट्रिंगर, लेअप और लेमिनेशन चरणों को इन नाजुक इंटरकनेक्ट और SAM इंटरफेस का सम्मान करना होता है, जहां समान, अच्छी तरह से ट्यून किए गए मॉड्यूल-लाइन उपकरण अपनी उपयोगिता साबित करते हैं। यदि आप देखना चाहते हैं कि ये प्रक्रियाएं वास्तविक कारखाने के पैमाने पर कैसी दिखती हैं, तो Ooitech YouTube चैनल www.youtube.com/ooitech फॉलो करने लायक है।