Contexte et défis de la recherche

Pérovskite/Les cellules solaires empilées de silicium sont des candidats importants pour la prochaine génération de technologie photovoltaïque en repoussant les limites d'efficacité des cellules à jonction unique. En particulier sur le substrat de silicium Texturé industrialisé, cette technologie montre une excellente capacité de capture de la lumière et un bon rapport coût - efficacité, avec de bonnes perspectives d'industrialisation. Cependant, sa commercialisation reste confrontée à des goulets d'étranglement technologiques clés:

Défi principal 1: problèmes de stabilité du film dans le processus de fabrication

• Mélange évaporation en deux étapes-La méthode de dépôt de solution permet une jonction conforme avec la Sous - couche de silicium Texturé, mais le processus doit être à haute température (~ 150°C) et humidité élevée (~ 40 % RH) recuit à l'air sous environnement

• Cette condition provoque une dégradation sévère de la surface du film de pérovskite en raison de la double action de l'humidité à haute température

Le défi central II:PbI₂Effets négatifs des sous - produits

• Excès résultant de la décomposition du filmPbI₂Formation d'un canal de migration ionique, dégradation de la pièce accélératrice

• Plus grave est le déclenchement de la recombinaison de porteurs d'interface, entraînant une perte d'efficacité et une détérioration de la stabilité du dispositif

Ces problèmes de stabilité des procédés et les dégradations de performances qu'ils provoquent,Contraintes sévères sur la pérovskite/La stabilité à long terme et la durabilité des batteries empilées de silicium deviennent un obstacle technologique clé à la production industrielle de masse- Oui.

Équipe de recherche et résultats importants

Cette étude a été réalisée parProf. Hairen Tan et Prof. Wenchi Kong du laboratoire national de Microstructure à l'état solide de l'Université de NanjingCo - Leadership, publié dans Journal« deACS Energy LettresLe). L'équipe de recherche a résolu avec succès la pérovskite/Le puzzle central du processus d'industrialisation des batteries empilées de silicium:Décomposition du film causée par le recuit d'air humide à haute température dans la méthode de dépôt mixte en deux étapes avecPbI₂Problèmes de sous - produits.

Figure 4d

L’innovation clé de l’équipe réside dansIntroductionDMPESICouche d'encapsulation interne hydrophobeInhibe efficacement la décomposition de surface de la pérovskite pendant le recuit, tout en réduisant considérablement le taux de recombinaison non radiatif, en optimisant la qualité de croissance cristalline et en améliorant la tension en circuit ouvert du dispositif et le facteur de remplissage. C'est ce qui seraDMPESIVaporisation mixte appliquée avec succès sur substrats texturés-Le processus de dépôt de solution a considérablement élargi le champ d'application de la molécule.

Pérovskite texturée industrialisée préparée par l'équipe/Batterie empilée de silicium atteint30,49%Efficacité de conversionDans les tests de stabilité à long terme, après1800L'efficacité initiale est maintenue après le test de suivi du point de puissance maximal horaire84%，723Maintien de l'efficacité initiale après un test de chaleur humide horaire80%Ces données vont bien au - delà de la performance du Groupe de contrôle, démontrant pleinement l'efficacité remarquable de cette méthode dans l'amélioration de la stabilité et de la durabilité du dispositif. Cette technologie peut être adaptée à la préparation d'environnements à forte humidité, ce qui constitue une base solide pour une production industrialisée à grande échelle et à faible coût.

Étapes et processus expérimentaux

Figure 1a

Préparation d'une pérovskite efficace et stable grâce à une stratégie de dépôt de couches minces et d'additifs/Cellules solaires empilées de silicium. Voici les principales étapes expérimentales:

· Préparation du substrat avec construction de la batterie sous - jacente: hétérojonction de silicium utilisant une texture industrialisée(SHJ)La batterie sous - jacente sert de substrat. Pour préparer une pile empilée, on commencera par4Disque de silicium de pouce pour la découpe par la foudre2,5 × 2,5 cm2Dimensions, puis200°CRecuit pour réparer les dégâts de pulvérisation. Ensuite, la pulvérisation sur le substrat de silicium20Oxyde d'indium étain épaisseur de nanomètre(OIT)Comme couche de jonction composite.

· Méthode de dépôt en deux étapes d'une couche de pérovskite: la préparation du film de pérovskite a adoptéMélange évaporation en deux étapes-Méthode de dépôt de solution- Oui.

o Formation de squelette inorganique: premièrement, co - évaporation sur le substrat par évaporation thermiquePbI2etdu CsBr, formant environ540Couche de squelette inorganique épaisse de nanomètre.

o Solution de sel organique enduite par rotation etDMPESIajouter: par la suite, contiendra le précurseur pérovskite(CommeFA0.8Cs0.2Pb(I0.8Br0.2))Une solution de sels organiques, etStabilisants clés– –DMPESI, vissé sur le film inorganique qui a été formé. CeDMPESILes additifs jouent un rôle clé dans la solution et sont capables de travailler avecPbI2La réaction forme une couche interne d'encapsulation hydrophobe.

o Pré - recuit et recuit à l'air:Le film après la rotation sera d'abord90°CLe traitement de pré - Recuit est effectué en atmosphère d'azote. Suivi d'une étape critique de recuit à l'air, à environ150°CEt environ45%Humidité relative (ou dans les tests d'humidité élevée)60%Recuit sous atmosphère d'humidité relative)20Minutes. Cette étape estDMPESILa formation d'une couche de protection, inhibe la clé de la décomposition de la pérovskite.

· Couche supérieure et dépôt d'électrodes: après la préparation de la couche de pérovskite, la couche de transport d'électrons et l'électrode sont déposées séquentiellement.

o Pour les cellules solaires Perovskite à jonction unique, évaporation thermique en premier20De NaimiC60Film mince, puis déposé à travers la couche atomique(ALD) 15De NaimiSnO2- Oui.

o Pour les cellules solaires empilées, enC60Après la couche, c'est la pulvérisation50De NaimiITO- Oui.

o Enfin, la chaleur évapore l'argent(Ag)Comme électrode supérieure (la batterie à jonction unique est150Naimi, la batterie empilée est400Naimi).

· Préparation de la couche antireflet(Pour piles empilées) et: pour augmenter encore la capacité de capture de la lumière de la batterie empilée, elle finira par s'évaporer thermiquement à sa surface100De NaimiMgF₂Comme couche antireflet.

Méthodes de caractérisation et résultats

Division des niveaux d'énergie quasi - Fermi(Split de niveau quasi-Fermi, QFLS)

Évaluer le degré de perte composite non radiative par rapport à l'effet de passivation des défauts dans les films minces de pérovskite,QFLSAugmenter la tension en circuit ouvert du dispositif à association directeCOVAmélioration. Adoptionde 405 nmSource d'excitation de la foudre, système de mesure à sphère intégrée importé par fibre optique, intensité de la foudre ajustée à1 SoleilLa détermination du rendement quantique en Photoluminescence est effectuée dans des conditions équivalentes.

DMPESILe traitement améliore considérablement la structure des couchesQFLSvaleur, dont le matériau minéral de titane et de calcium est le principalCOVLa source des pertes est obtenue après traitementAmélioration évidente- Oui.DMPESIInhibe efficacement la décomposition de surface lors du recuit à l'air,Composite non radiatif à interface réduite, de sorte que la pérovskite/ C60à l'interfaceCOVLes pertes sont réduites en conséquence. Par film de pérovskite pure,HTL/Pérovskite etHTL/Pérovskite/ ETLComparaison systématique des trois structures de pile, confirmantDMPESILe traitement montre une excellente capacité de passivation des défauts à chaque interface.

Figure 3dAfficher extrait de différentes structures de pileQFLSComparaison des valeurs.DMPESIGroupe de traitement en pérovskite pure,HTL/Pérovskite etHTL/Pérovskite/ ETLInterface des couchesQFLSLes valeurs sont significativement plus élevées que le Groupe de contrôle, présentant intuitivement son effet dans la suppression des pertes composites non radiatives, expliquant fortement le dispositifCOVLa cause fondamentale de l'Ascension.

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Rendement quantique en électroluminescence(EQEEL)

Analysez davantage la recombinaison non radiative du dispositif et quantifiez la Division de niveau quasi - Fermi dans les cellules solaires à jonction unique. utiliserKeithley 2450La Cellule de mesure de la source de tension fournit une densité de courant constante, mesurant les photons émis dans toutes les directions du dispositif à l'aide d'une sphère d'intégration et d'un spectromètre d'étalonnage.

DMPESILe traitement améliore significativement les propriétés électrorotatives: dans l'équivalent de1 SoleilSimulation des conditions de densité de courant,DMPESIDispositifs de groupe de traitementEQEELDa0430%Significativement mieux que le Groupe de contrôle0145%. correspondant àCOVLes pertes sont respectivement142 mVet170 mV,DMPESIGroupe de traitementCOVRéduction des pertes28 mV. Ce résultat indiqueDMPESILe traitement améliore efficacement la tension de circuit ouvert du dispositif en inhibant la décomposition de surface et en optimisant le processus de cristallisation pour obtenir une meilleure qualité de pérovskite combinée à une réduction de la recombinaison non radiative.

Figure 3eShow control group avecDMPESIGroupe de traitement des dispositifs de pérovskiteELComparaison spectrale.DMPESIGroupe de traitementELIntensité significativement plus élevée que le Groupe de contrôle, preuve forteDMPESIInhiber efficacement la recombinaison non radiative, de sorte que plus de porteurs émettent de la lumière sous forme de recombinaison radiative, montrant une excellente qualité de porteurs.

Densité de courant-tension(J-V)Mesure des courbes

Évaluer les paramètres de performance photovoltaïque des cellules solaires, les cellules à jonction unique sont utilisées dans une boîte à gants chargée d'azoteKeithley 2400Mesure, pile empilée utilisationKeithley 2450Unité de mesure de la source de tension, enEnliTech SS-X 3ASimulateur de lumière solaireMesuré sous irradiation dans l'air.

DMPESILe traitement améliore considérablement les performances des dispositifs: batterie Perovskite à jonction unique efficacité optimale jusqu'à21,2%(COV = 1,227 V,JSC = 21,0 mA cm^-2,FF = 82,4 %), Groupe de contrôle uniquement20%Et le balayage avant presque aucunJ-VPhénomène de retard.

Pérovskite texturée industrialisée/Batteries empilées de silicium pour une percée30,49%Efficacité du laboratoire, obtenir29,8%Efficacité certifiéeComparativement au groupe témoin29,05%Amélioration de l'efficacité absolue de plus de1%,COVaméliorer40 mV,FFÉlever près2%. L'analyse statistique montreDMPESIAmélioration de l'efficacité moyenne des batteries empilées modifiées par rapport au groupe témoin1,2%- Oui.

Figure 3aAfficher le meilleur de la batterie Perovskite à jonction uniqueJ-VComparaison des courbes.DMPESILa forme de courbe du dispositif du Groupe de traitement est meilleure, le phénomène d'hystérésis de balayage positif et inverse est considérablement réduit, confirmant la stabilité des performances et l'amélioration de l'efficacité.

Figure 4dPrésentation de piles empilées BestJ-VCourbes et statistiques de distribution d'efficacité.DMPESILa courbe du Groupe de traitement est nettement supérieure à celle du Groupe de contrôle, en particulier en ce qui concerne la tension en circuit ouvert par rapport au facteur de remplissage, et le diagramme intégré dépasse statistiquement30Distribution de l'efficacité des dispositifs individuels, montrant une amélioration significative de l'efficacité moyenne du Groupe de traitement et une distribution plus centralisée des données.

Efficacité quantique externe(EQE)

Mesure des photons d'une batterie à différentes longueurs d'onde-L'efficacité de conversion électronique et le calcul de la densité de photocourant intégrée. Batterie à jonction unique utilisée dans l'air équipée d'un amplificateur à verrouillage de phaseQEMesure du système, batterie empilée adopte la longueur d'onde850 nm(batterie sous - jacente) et460 nm(batterie supérieure) haute luminositéLEDPolarized Light effectue des mesures d'éclairage polarisé.

DMPESITraitement améliore les caractéristiques de réponse spectrale: dans une batterie Perovskite à jonction unique,DMPESIGroupe de traitement intégré densité de courant optique jusqu'à21,30 mA cm^-2Supérieur au Groupe de contrôle21,19 mA cm^-2. Sous - batterie supérieure en pérovskite pour piles empilées avecSHJLa densité de courant intégrée de la Sous - batterie inférieure est respectivement de20.67et20,25 mA cm^-2La conception de la densité de courant légèrement supérieure de la Sous - batterie supérieure est conçue pour introduire stratégiquement la désadaptation du courant, améliorer les performances et la stabilité de fonctionnement des dispositifs empilés.

Sur un substrat Texturé,DMPESILe processeur est en550 nmLes bandes suivantes montrent une réponse globale plus élevée, attribuée à la décomposition de la surfacePbI₂Absorption parasite réduite- Oui.

Figure 3cBatterie Perovskite à jonction uniqueEQEComparaison des courbes.DMPESIL'équipe de traitement présente une amélioration de la réponse spectrale, en particulier dans les zones de courte longueur d'onde, et plusJSCLes valeurs correspondent.

Figure 4fDMPESITraitement des dispositifs empilésEQECourbe, contenant le dessus de la pérovskite en réponse à la Sous - batterie inférieure de silicium. Deux batteriesEQELes revirements de courbes sont bons et excellent dans les intervalles d'absorption respectifs, confirmant l'excellente Distribution spectrale et l'effet d'adaptation du courant.

Suivi des points de puissance maximale(MPPT) /Stabilité opérationnelle(ISOS-L-1)

Évaluer la stabilité de fonctionnement à long terme du dispositif sous la lumière solaire simulée. Dans l'air ambiant (30 à 50%Humidité relative) utilisé en multicoloreLEDLe simulateur offreAM1.5GLumière standard (100 mW cm^-2), température de fonctionnement du dispositif env.35°C(auto - échauffement), température ambiante25°C, test du dispositif encapsulé sans refroidissement actif.

DMPESILe traitement améliore considérablement la stabilité opérationnelle à long terme: parDMPESIDispositifs empilés modifiés à proximité1800heureMPPTQui conservent leur efficacité initiale après le test84%. dispositifs de contrôle uniquement dans890Au bout d'une heure, il se dégrade rapidement jusqu'à une efficacité initiale d'environ75%Montre une différence de performance évidente.

Figure 4gAffichage des dispositifs empilés encapsulés dansAM1.5GSimulation à spectre complet sous la lumière du soleilMPPSuivez les résultats.DMPESIL'efficacité du Groupe de traitement s'atténue significativement plus lentement au fil du temps que le Groupe de contrôle, démontrant fortement sa performance de stabilité opérationnelle.

Test de chaleur humide(Chauffure humide) /Stabilité à long terme(ISOS-D-3)

Évaluer la stabilité à long terme du dispositif dans un environnement chaud et humide. Placez le dispositif d'empilement d'encapsulation dans une boîte de test environnementale, maintenue constante85°CTempérature et85%Humidité relative supérieure à800Heures, mesure régulière des performances (approx.30Après quelques minutes de refroidissement).

DMPESILe traitement montre une excellente résistance à la chaleur humide: parDMPESIDispositif empilé modifié dans723Maintien de l'efficacité initiale après un test de chaleur humide horaire80%La durabilité est remarquable. Le dispositif de contrôle est en334Dégradation aux performances initiales après l'heure67%, afficherDMPESIEffet protecteur dans des environnements difficiles.

Figure 4hMontrer le dispositif encapsulé dans85°C/85 % RHRésultats des tests de stabilité à long terme dans des conditions sombres.DMPESILe Groupe de traitement montre une tendance plus lente à l'atténuation de l'efficacité dans un environnement chaud et humide élevé, confirmant une fois de plus ses excellentes performances de durabilité.

Autres caractérisations

XDiffraction des rayons(XRD)

Caractérisation de la composition de la phase mince de pérovskite et de la qualité cristalline.DMPESIConcentration supérieure à3 mg/mLLorsque dans7°Formation du lieuDMPESPbI 1D₃Phase, Groupe de traitement film dans le recuit prolongé et l'exposition à l'humidité élevéePbI₂La quantité générée était minime, le groupe témoin a augmenté de manière significative.(Figure 1b)

Microscope électronique à balayage(SEM)

Observez la morphologie du film avec les changements de taille des grains.DMPESILe film traité ne s'est que légèrement décomposé et accompagné d'une croissance significative des grains lors du recuit, présentant une morphologie plus uniforme et des grains plus gros sur un substrat Texturé, le groupe témoin subissant une dégradation de surface importante.(Figure 2a)

XSpectroscopie photoélectronique des rayons(XPS)

confirmerDMPESIIntroduction moléculaire etPb-IReconstitution chimique de l'environnement de liaison.S 2pLe spectre166,0 eVConfirmation du signalDMPESIIntroduction,Pb 4fetJe 3DDiminution de l'énergie de liaison du niveau d'énergie de base attribuée à1DDans la structurePb-ILa longueur des clés augmente.(Figure 1d.e)

Temps de vol spectrométrie de masse des ions secondaires(TOF-SIMS)

EnquêteDMPESIDistribution spatiale à l'intérieur du film. L'additif est principalement enrichi dans la surface du film et dans la région de l'interface inférieure et l'accumulation in vivo est négligeable, attribuée à l'effet de blocage stérique de la structure cyclique conjuguée de l'additif arylique.(Figure 1f)

Photoluminescence résolue dans le temps(trpl)

La mesure de la durée de vie des porteurs évalue le taux de recombinaison non radiative.DMPESITraitement de la durée de vie des porteurs de film mince significativement prolongée à1045,0 ns(groupe témoin515,8 ns), démontrant une réduction efficace du taux de recombinaison non radiative.(F)figure 2f)

Ultraviolet-Visible(UV-vis)Spectre d'absorption

Mesure des propriétés d'absorption du film par rapport à la bande interdite optique.TaucLa figure montreDMPESIL'introduction n'a pas provoqué de modification significative de la bande interdite du film (Par exemple≈1,67 eV).(Figure 2d)

Mesure de l'angle de contact

VérificationDMPESIL'hydrophobicité du film est renforcée après traitement. Les films traités présentent des propriétés hydrophobes améliorées à la fois lors des phases de pré - recuit et de recuit à l'air.(Figure S9)

Sortie de puissance stabilisée(SPO)

Le dispositif de mesure fonctionne en continu pendant une longue période de puissance stable.DMPESIMise en oeuvre de dispositifs empilés de traitement30,3%Sortie de puissance stabilisée.(Figure 4e)

photo/Images numériques

Affichage intuitif de l'apparence physique du dispositif et de la dégradation de l'exposition à l'humidité.80 % d'humidité relativeDans le testDMPESILe Groupe de traitement maintient l'intégrité de la couleur d'origine à long terme, le Groupe de contrôle48Des points de décomposition jaunes prononcés apparaissent dans l'heure et se dégradent largement.(Figure 2g)

conclusion

L'équipe de recherche en introduisantDMPESIAdditifs hydrophobes, résolu avec succès pérovskite/Goulot d'étranglement technologique de base dans le processus d'industrialisation des batteries empilées de silicium pour des résultats révolutionnaires.

DMPESIMolécules etPbI₂Formation de la réactionDMPESPbI 1D₃Pérovskite, formant une couche d'encapsulation protectrice à l'interface, inhibant efficacement la décomposition du film lors du recuit à l'air. Ce mécanisme favorise une plus grande formation de grains, réduit la densité des défauts et améliore considérablement la durée de vie des porteurs (1045,0 ns contre 515,8 ns), et améliore la stabilité du film dans un environnement à haute température et humide.

Performance des dispositifs pour une percée majeure: efficacité de la batterie Perovskite à jonction unique jusqu'à21,2%, presque rienJ-VPhénomène de retard.Pérovskite texturée industrialisée/Batterie empilée de silicium créé30,49%Enregistrement de l'efficacité du laboratoire, obtenir29,8%Efficacité certifiéeAmélioration de l'efficacité absolue par rapport au groupe témoin1%,COVaméliorer40 mV,FFÉlever près2%- Oui.

Performance de stabilité à long terme: dispositif empilé dans1800heureMPPTMaintenir l'efficacité initiale après l'essai84%，723Entretien après un test de chaleur humide horaire80%Efficacité, bien au - delà de la performance du Groupe de contrôle. Sur un substrat Texturé,DMPESIMeilleure réponse spectrale du processeur dans la zone de longueur d'onde courte, confirméePbI₂L'absorption parasite est efficacement réduite.

Cette étude a permis la fabrication à grande échelle de pérovskite à faible coût pour l'industrialisation/Les cellules solaires empilées de silicium offrent une voie technologique viable,Combiné à une efficacité record et à une stabilité de fonctionnement à long terme, il constitue une base solide pour le processus de commercialisation des batteries empilées- Oui.

Référence bibliographique ACS Energy letters - doi: 10.1021 / acsenergylett.5c01010

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