Antecedentes y desafíos de la investigación

Perovskita/.Las células solares laminadas de silicio se han convertido en un importante candidato para la próxima generación de tecnología fotovoltaica debido a que pueden romper los límites de eficiencia de las células de unión única. Especialmente en el sustrato de silicio de textura industrial, esta tecnología muestra una excelente capacidad de captura de luz y rentabilidad, y tiene buenas perspectivas de industrialización. Sin embargo, su comercialización todavía se enfrenta a cuellos de botella tecnológicos clave:

Desafío central uno: la estabilidad de la película en el proceso

• Evaporación mixta en dos pasos-Aunque el método de deposición de solución puede lograr una Unión conformal con la capa inferior de silicio de textura, el proceso debe ser a alta temperatura.~ 150 ° C) y alta humedad..~ 40% RH) recolocación de aire en ambiente

• Esta condición conduce a una grave descomposición de la superficie de la película de Perovskita debido a la doble acción de alta temperatura y humedad.

Desafío central 2:PbI₂Efectos negativos de los subproductos

• Exceso generado por la descomposición de la películaPbI₂Formación de canales de migración de iones, deterioro de piezas de acelerador

• Lo que es más grave es desencadenar la recombinación de transportistas de interfaz, lo que resulta en la pérdida de eficiencia y el deterioro de la estabilidad del dispositivo.

Estos problemas de estabilidad del proceso y el deterioro del rendimiento causado por ellos,Restringe seriamente la Perovskita/.La estabilidad y durabilidad a largo plazo de las baterías laminadas de silicio se ha convertido en un obstáculo técnico clave para la producción industrial a gran escala..

Equipo de investigación y resultados importantes

El estudio fue realizado porEl profesor tan hairen y el Profesor Kong Wenchi del Laboratorio Estatal clave de microestructura de estado sólido de la Universidad de NanjingCodirector, publicado en revistas".Cartas de Energía ACSLibro. El equipo de investigación resolvió con éxito la Perovskita/.Los problemas centrales del proceso de industrialización de las baterías laminadas de silicio:Descomposición de películas finas y propiedades mecánicas causadas por el recocido de aire de alta temperatura y alta humedad en el método de deposición mixta en dos pasosPbI₂Problema de subproductos.

Figura 4d

La innovación clave del equipo esIntroducciónDMPESICapa de encapsulamiento interno hidrofóbico. inhibe efectivamente la descomposición de la superficie de Perovskita durante el proceso de recocido, al tiempo que reduce significativamente la tasa de recombinación no radiante, optimiza la calidad del crecimiento del cristal y, a su vez, mejora el voltaje de circuito abierto y el factor de llenado del dispositivo. Este es elDMPESIEvaporación mixta aplicada con éxito a sustratos de textura-El proceso de deposición de solución ha ampliado considerablemente el campo de aplicación de esta molécula.

Perovskita de textura industrial preparada por el equipo/.La batería apilada de silicio alcanza30,49%Eficiencia de conversiónEn pruebas de estabilidad a largo plazo, después de1800Mantener la eficiencia inicial después de la prueba de seguimiento del punto de potencia máxima por hora84%，723Mantener la eficiencia inicial después de la prueba de humedad y calor por hora80%Estos datos superan con creces el rendimiento del Grupo de control, lo que demuestra plenamente el efecto significativo de este método en la mejora de la estabilidad y durabilidad del dispositivo. Esta tecnología se puede aplicar a la preparación de ambientes de alta humedad y sienta una base sólida para la producción industrial a gran escala y de bajo costo.

Pasos y procesos experimentales

Figura 1a

Preparación de Perovskita eficiente y estable a través de exquisitas estrategias de depósito de película delgada y aditivos/.Células solares laminadas en silicio. Los siguientes son los principales pasos experimentales:

· Preparación del sustrato y construcción de la batería subyacente: Heterounión de silicio con textura Industrial(SHJ)La batería inferior sirve como sustrato. Para preparar las baterías apiladas, primero se4Las obleas de silicio de pulgada se cortan por láser.2,5 × 2,5 cm2Tamaño, seguido200°CRecocido para reparar daños por pulverización. Luego, Se pulveriza sobre el sustrato de silicio20óxido de indio y estaño de espesor nanométrico(OIT)Como capa de Unión compuesta.

· Método de depósito en dos pasos de mineral de calcio y titanio: la preparación de películas de Perovskita se ha llevado a cabo.Evaporación mixta en dos pasos-Método de deposición de solución.

o Formación de esqueletos inorgánicos: primero, a través de la evaporación térmica, se evapora juntos en el sustratoPbI2yCsBr, formando una cita540Una capa de esqueleto inorgánico de espesor nanométrico.

o Recubrimiento rotativo de solución de sal orgánica yDMPESIañadir: posteriormente, contendrá precursores de Perovskita(comoFA0.8Cs0.2Pb (I0.8Br0.2))Soluciones de sal orgánica, yEstabilizadores clave- -DMPESI, recubrimiento giratorio sobre película inorgánica formada. EstoDMPESILos aditivos juegan un papel clave en la solución y pueden trabajar conPbI2La reacción forma una capa de encapsulamiento interno hidrofóbica.

o Pre - recolocación y recolocación por aire:La película después de la pintura giratoria estará primero en90°CEl pretratamiento se realiza en un ambiente de nitrógeno. A continuación, se realizan los pasos clave de recocido de aire, en aproximadamente150°CPacto de paz45%Humedad relativa (o alcanzada en pruebas de alta humedad)60%Recocido en ambiente de humedad relativa20Min. Este paso esDMPESILa clave para formar una capa protectora e inhibir la descomposición de la perovskita.

· Depósito superior y de electrodos: después de la preparación del mineral de calcio y titanio, la capa de transmisión electrónica y el electrodo se depositarán en orden.

o Para las células solares de Perovskita de Unión única, primero se evapora por calor.20NanométricoC60Película delgada, luego depositada a través de la capa Atómica(ALD) 15NanométricoSnO2.

o Para las células solares laminadas, enC60Después de la capa, Se pulveriza50NanométricoITO.

o Finalmente, la evaporación térmica de la Plata(Ag)Como electrodo superior (la batería de un solo nudo es150Nano, la batería apilada es400Naimi).

· Preparación de la capa antirreflectante(Para baterías apiladas(...): para mejorar aún más la capacidad de captura de luz de las baterías apiladas, finalmente se evaporarán en su superficie100NanométricoMgF₂Como capa antirreflectante.

Métodos de caracterización y resultados

División del nivel de energía cuasifemi(División de nivel cuasi-Fermi, QFLS)

Evaluar el grado de pérdida compuesta no radiante y el efecto de pasivación de defectos en las películas de perovskita,QFLSAumentar el voltaje de apertura de los dispositivos de conexión directaCOVMejorar. adoptarde 405 nmEl láser se origina, se introduce en el sistema de medición de la esfera integral a través de la fibra óptica, y la intensidad del láser se ajusta a1 SolLa determinación del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia se realiza en condiciones equivalentes.

DMPESIEl tratamiento mejora significativamente la estructura de cada capa.QFLSvalorEntre ellos, el material del cuerpo mineral de calcio y titanio es el principal.COVLa fuente de la pérdida se obtiene después del tratamiento.Mejora significativa.DMPESIInhibe efectivamente la descomposición de la superficie durante el recocido del aire,Reducir la composición no radiante de la interfaz, haciendo Perovskita/ C60En la interfazCOVLas pérdidas se redujeron en consecuencia. A través de películas de Perovskita pura,HTL/Perovskita yHTL/Perovskita/ ETLComparación sistemática de tres estructuras de pila, confirmaciónDMPESIEl tratamiento muestra una excelente capacidad de pasivación de defectos en cada interfaz.

Figura 3dMuestra los extraídos de diferentes estructuras de pilaQFLSComparación de Valores.DMPESIEl equipo de tratamiento está en Perovskita pura,HTL/Perovskita yHTL/Perovskita/ ETLDe cada capa de interfazQFLSLos valores son significativamente más altos que los del Grupo de control, mostrando intuitivamente su efecto en la supresión de pérdidas compuestas no radiantes, lo que explica fuertemente el dispositivo.COVLa causa fundamental de la promoción.

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Rendimiento cuántico de Electroluminiscencia(EQEEL)

Analizar más a fondo la recombinación no radiativa del dispositivo y cuantificar la División del nivel de energía cuasi - Fermi en las células solares de unión única. usarKeithley 2450La unidad de medición de la fuente de voltaje proporciona una densidad de corriente constante para medir los fotones emitidos en todas las direcciones del dispositivo a través de bolas de integración y Espectrómetros de calibración.

DMPESIEl tratamiento mejora significativamente el rendimiento de rotación de la generación de energía eléctrica.: en el equivalente1 SolEn condiciones de densidad de corriente simulada,DMPESIDispositivo de grupo de procesamientoEQEELLlegar0430%, significativamente mejor que el Grupo de control0145%. correspondienteCOVLas pérdidas son142 mVy170 mV,DMPESIGrupo de procesamientoCOVReducción de pérdidas28 mV. Este resultado indicaDMPESIAl inhibir la descomposición de la superficie y optimizar el proceso de cristalización, el tratamiento logra una mejor calidad de Perovskita y una menor composición no radiante, mejorando así efectivamente el voltaje de apertura del dispositivo.

Figura 3eGrupo de control de exhibición yDMPESIGrupo de procesamiento de dispositivos de PerovskitaELComparación espectral.DMPESIGrupo de procesamientoELLa intensidad es significativamente mayor que la del Grupo de control, lo que demuestra fuertementeDMPESIInhibir eficazmente la recombinación no radiante, haciendo que más transportistas emitan luz en forma de recombinación radiante, mostrando una excelente calidad de transportistas.

Densidad de corriente-voltaje(J-V)Medición de la curva

Evaluar los parámetros de rendimiento fotovoltaico de las células solares, las células de un solo nudo se utilizan en la guantera cargada de nitrógenoKeithley 2400Medición, uso de baterías apiladasKeithley 2450Unidad de medición de la fuente de tensión, enEnliTech SS-X 3ASimulador de luz solarSe mide en el aire bajo irradiación.

DMPESIEl procesamiento mejora significativamente el rendimiento del dispositivo.: la mejor eficiencia de la batería de Perovskita de unión única alcanza21,2%()COV = 1,227 V,JSC = 21,0 mA cm^-2,FF = 82,4%), el Grupo de control solo20%Y el escaneo positivo es casi nuloJ-VFenómeno de retraso.

Perovskita de textura Industrial/.Las baterías laminadas de silicio logran avances30,49%Eficiencia de laboratorio, adquisición29,8%Eficiencia de la certificación, en comparación con el Grupo de control29,05%La eficiencia absoluta mejora más que1%,COVmejorar40 mV,FFSubir cerca2%. El análisis estadístico muestraDMPESILa eficiencia media de las baterías laminadas modificadas aumentó en comparación con el Grupo de control.1,2%.

Figura 3aMuestra la mejor batería de Perovskita de unión únicaJ-VComparación de curvas.DMPESILa forma de la curva del dispositivo del Grupo de procesamiento es mejor, y el retraso del escaneo positivo y negativo se reduce significativamente, lo que confirma la mejora de la estabilidad y eficiencia del rendimiento.

Figura 4dPresentación de la mejor batería apiladaJ-VEstadísticas de distribución de curvas y eficiencia.DMPESILa curva del Grupo de procesamiento es significativamente mejor que la del Grupo de control, especialmente en términos de voltaje abierto y factor de llenado, las estadísticas del gráfico incorporado superan30La distribución de la eficiencia de cada dispositivo muestra que la eficiencia media del Grupo de procesamiento ha mejorado significativamente y la distribución de datos es más concentrada.

Eficiencia cuántica externa(EQE)

Medir los fotones de la batería a diferentes longitudes de onda-Eficiencia de conversión electrónica y cálculo de la densidad de corriente óptica integrada. Las baterías de un solo nudo utilizan en el aire un amplificador de bloqueo de faseQEMedición del sistema, la batería apilada utiliza la longitud de onda850 nm(batería subyacente) y460 nm(batería superior) alto brilloledLa luz sesgada se mide con iluminación sesgada.

DMPESIEl procesamiento mejora las características de respuesta espectral: en baterías de Perovskita de Unión única,DMPESIEl equipo de procesamiento integra una densidad de corriente óptica de hasta21,30 mA cm^-2, superior al Grupo de control21,19 mA cm^-2. La batería superior de Perovskita de la batería apilada ySHJLas densidades de corriente integradas de las subcategorías inferiores son20.67y20,25 mA cm^-2El diseño de densidad de corriente ligeramente superior de la batería superior tiene como objetivo introducir estratégicamente el desajuste de corriente para mejorar el rendimiento y la estabilidad operativa de los dispositivos laminados.

En el sustrato de textura,DMPESIEl procesador está ende 550 nmLas siguientes bandas muestran una mayor respuesta general, atribuida a la descomposición de la superficie.PbI₂Disminución de la absorción parasitaria.

Figura 3cBatería de Perovskita de unión únicaEQEComparación de curvas.DMPESIEl equipo de procesamiento muestra una mejora en la respuesta espectral, especialmente en áreas de longitud de onda corta, que son mejores que las anteriores.JSCLos valores coinciden.

Figura 4fDMPESIDispositivos laminados de procesamientoEQELa curva contiene la respuesta de la batería superior de Perovskita y la batería inferior de silicio. Dos bateríasEQELas curvas se superponen bien y se comportan bien en sus respectivos intervalos de absorción, lo que confirma un excelente efecto de coincidencia de distribución espectral y corriente.

Rastreo de puntos de potencia máxima(MPPT) /Estabilidad operativa(ISOS-L-1)

Evaluar la estabilidad del dispositivo durante el funcionamiento a largo plazo bajo la luz solar simulada. En el aire ambiente..30 - 50%Uso de multicolor en humedad relativaledProporcionado por el simuladorAM1.5GIluminación estándar..100 mW cm^-2), la temperatura de funcionamiento del dispositivo es de aproximadamente35°C(autocalentamiento), temperatura ambiente25°CPrueba del dispositivo de encapsulamiento sin refrigeración activa.

DMPESIEl tratamiento mejora significativamente la estabilidad operativa a largo plazo.: clásicosDMPESIDispositivos laminados modificados cerca1800horaMPPTMantener la eficiencia inicial después de la prueba84%. los dispositivos del Grupo de control solo están en890Después de una hora, se degrada rápidamente a una eficiencia inicial de aproximadamente75%Muestra diferencias obvias en el rendimiento.

Figura 4gMostrar dispositivos laminados encapsulados enAM1.5GSimulación espectral completa bajo el solMPPResultados de seguimiento.DMPESILa velocidad de atenuación de la eficiencia del Grupo de procesamiento con el tiempo es significativamente más lenta que la del Grupo de control, lo que demuestra fuertemente su rendimiento de estabilidad operativa.

Prueba de calor húmedo(Calor húmedo) /Estabilidad a largo plazo(ISOS-D-3)

Evaluar la estabilidad a largo plazo del dispositivo en entornos de alta temperatura y alta humedad. Colocar el dispositivo apilado encapsulado en una caja de prueba ambiental y mantener la constante85°CTemperatura y85%La humedad relativa supera800Horas, medición periódica del rendimiento (aproximadamente30Minutos después de enfriarse).

DMPESIEl tratamiento muestra una excelente resistencia a la humedad y el calor.: clásicosDMPESIDispositivos laminados modificados en723Mantener la eficiencia inicial después de la prueba de humedad y calor por hora80%Destaca la durabilidad. Los dispositivos del Grupo de control están en334Degradado a las propiedades iniciales horas después67%, mostrandoDMPESIEfecto protector en un ambiente hostil.

Figura 4hDispositivos de encapsulamiento de exhibición en85°C/85% de humedad relativaResultados de la prueba de estabilidad a largo plazo en condiciones oscuras.DMPESIEl equipo de tratamiento mostró una tendencia de atenuación de eficiencia más lenta en un ambiente húmedo y caliente, confirmando una vez más su excelente rendimiento de durabilidad.

Otras caracterizaciones

XDifractividad de rayos X(XRD)

Caracterizar la composición de fase y la calidad cristalina de las películas de perovskita.DMPESIConcentración superior3 mg/mlEn el momento7 °Formación en el lugar1D DMPESPbI₃Fase, película del Grupo de tratamiento bajo recocido prolongado y exposición a alta humedadPbI₂La generación fue mínima, mientras que el Grupo de control aumentó significativamente.(Figura 1b)

Microscopio electrónico de barrido(SEM)

Se observaron cambios en la morfología de la película y el tamaño del grano.DMPESILas películas tratadas solo se descompusieron ligeramente durante el proceso de recocido y crecieron significativamente con los granos, mostrando una morfología más uniforme y granos más grandes en el sustrato de textura, mientras que el Grupo de control experimentó una degradación superficial severa.(Figura 2a)

XEspectro fotoelectrónico de rayos X(XPS)

confirmarDMPESIIntroducción molecular yPb-IReconstrucción Química Ambiental de unión.S 2pEspectro166,0 eVConfirmación de la señalDMPESIIntroducción,Pb 4fyI 3DEl desplazamiento hacia abajo de la energía de Unión del nivel central se atribuye a1DEn la estructuraPb-ILa longitud de la tecla aumenta.(Figura 1d.e)

Espectrometría de masas de iones secundarios en tiempo de vuelo(TOF-SIMS)

ExplorarDMPESIDistribución espacial dentro de la película. Los aditivos se enriquecen principalmente en las áreas de interfaz de la superficie y la parte inferior de la película, y la acumulación in vivo es insignificante, atribuida al efecto de resistencia potencial espacial de la estructura del anillo conjugado del aditivo aromático.(Figura 1f)

Fotoluminiscencia resuelta en el tiempo(trpl)

Medir la vida útil del portador para evaluar la tasa de compuesto no radiante.DMPESILa vida útil del portador de la película tratada se extiende significativamente hasta1045.0 ns(grupo de control515,8 ns), lo que demuestra una reducción efectiva de la tasa de recombinación no radiante.(F)figura 2f)

Ultravioleta-Visible(UV-vis)Espectro de absorción

Medir las características de absorción de la película y la brecha de banda óptica.TaucLa imagen muestraDMPESILa introducción no causó cambios significativos en la brecha de banda de la película..Por ejemplo¿¿ 2?1,67 eV).(Figura 2d)

Medición del ángulo de contacto

verificaciónDMPESIDespués del tratamiento, la hidrofobicidad de la película aumentó. Las películas tratadas mostraron un comportamiento hidrofóbico mejorado tanto en las etapas de pre - recocido como en el recocido por aire.(Figura S9)

Salida de potencia estable(SPO)

El dispositivo de medición funciona continuamente durante mucho tiempo para estabilizar la potencia.DMPESIImplementación de dispositivos laminados de procesamiento30,3%Salida de Potencia estable.(Figura 4e)

foto/.Imagen digital

Muestra intuitivamente la apariencia física del dispositivo y la degradación de la exposición a la humedad.80% de humedad relativaEn la pruebaDMPESIEl Grupo de tratamiento mantiene la integridad del color original durante mucho tiempo, y el Grupo de control48Dentro de las horas aparecen puntos de descomposición amarillos obvios y se degradan a gran escala.(Figura 2g)

conclusión

El equipo de investigación pasa por la IntroducciónDMPESIAditivos hidrofóbicos, resuelto con éxito la Perovskita/.El cuello de botella tecnológico central del proceso de industrialización de las baterías laminadas de silicio ha logrado avances.

DMPESIMoléculas yPbI₂Formación de reacción1D DMPESPbI₃La perovskita, que forma una capa de encapsulamiento protectora en la interfaz, inhibe efectivamente la descomposición de la película durante el recocido del aire. Este mecanismo promueve una mayor formación de granos, reduce la densidad de defectos y mejora significativamente la vida útil de los transportistas..1045.0 ns frente a 515.8 ns) y mejorar la estabilidad de la película en entornos de alta temperatura y alta humedad.

Gran avance en el rendimiento del dispositivo: la eficiencia de la batería de Perovskita de unión única alcanza21,2%, casi ningunoJ-VFenómeno de retraso.Perovskita de textura Industrial/.Baterías laminadas de silicio creadas30,49%Registro de eficiencia de laboratorio, obtenido29,8%Eficiencia de la certificaciónEn comparación con el Grupo de control, la eficiencia absoluta aumentó en más de1%,COVmejorar40 mV,FFSubir cerca2%.

Rendimiento de estabilidad a largo plazo: dispositivos laminados en1800horaMPPTMantener la eficiencia inicial después de la prueba84%，723Se mantiene después de la prueba de humedad y calor durante horas80%La eficiencia superó con creces el rendimiento del Grupo control. En el sustrato de textura,DMPESILa respuesta espectral del procesador en la región de longitud de onda corta es mejor, lo que confirmaPbI₂La absorción parasitaria se reduce efectivamente.

Este estudio es una fabricación industrial a gran escala de Perovskita de bajo costo./.Las células solares laminadas de silicio proporcionan una ruta técnica factible.Combinando una eficiencia récord y una estabilidad de funcionamiento a largo plazo, se sienta una base sólida para el proceso de comercialización de baterías apiladas..

Referencia documental de ACS Energy letters doi: 10.1021 / acenergylett.5c0110

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