Предыстория исследования и проблемы: высокоэффективное текстурирование перовскита/Технические узкие места в кремниевых солнечных батареях

1. Разница между технологическим потенциалом и промышленной практикой

Перовскит/Силиконовые солнечные батареи из - за использования энергииЗрелые линии кристаллического кремнияИ осуществитьВысокая эффективность преобразования (ПЦЕВ центре внимания академических и промышленных кругов. В последние годыПЦЕПрорывы в основном связаны с: оптимизацией технологии управления светом, улучшением качества кристаллизации перовскита и пассивацией дефектов, развитием отверстия селективного самосборного мономолекулярного слоя и перовскита/Электронный (С60Стратегия пассивации интерфейсаПрогресс в этой области.

Тем не менее, большая часть существующих эффективных стратегий пассивации должна использоватьсяУровни раствора в плоской подложкеЗачастую требуется установка кремниевых батарей.Клиентская обработка(Например, дополнительная полировка или изменение размера пирамиды). Это иСтандартная технология промышленного кремнияСлучайный вид пирамиды (высота)> 1 мкмСуществует существенный конфликт, намного превышающий толщину перовскита), что затрудняет интеграцию эффективных стратегий втекстурированный кремниевый фундаментА.

2. Основные проблемы текстурированных слоистых батарей

На основе кремния большого размера.текстурированный перовскит/кремниевый слоистый элементНесмотря на наличиеПреимущества производственных затратиПревосходный световой эффектНо при внедрении эффективных перовскитовС60Основные технические препятствия на пути пассивации интерфейса, приводящие к сопоставлению с плоскими устройствамиОткрытое напряжение (ЛОС) Потери превышают100 мВА.

3. Электрический механизм потери производительности

Углубленный анализ показывает, что снижение производительности текстурированных слоистых батарей связано со следующими электрическими проблемами:

• Эффект дисбаланса: Между перовскитом и электронным передатчиком.Большое смещение (ΔEC, ETLВызывает серьезный дисбаланс концентрации носителей в верхнем контактеИ этот эффект распространяется на весь объем перовскита.

• Композитные потери интерфейса: Несбалансированность концентрации носителейВысокий коэффициент рекомбинации интерфейсаНепосредственно в результате ЛОСЗаметное снижение

• Ухудшение характеристик передачи: Концентрация носителей в абсорбционном слое ограничена.Внутренняя электропроводностьВызывает серьезные потери переноса носителей и селективности, проявляющиеся вКоэффициент заполнения (ФФ) Плохая производительность

Исследовательская группа и основные результаты

Данное исследование состоит изИнститут солнечных систем Фраунгофера (Германия)Фраунгофер ISEВ)Уссам Эр-РаджиПрофессор иСтефан В. Глунц教授Научно - технический университет им. короля Абдаллы (КАУСТВ)Стефан Де ВольфСопредседателями являются профессора, результаты исследований публикуются в международных журналах Наука. Исследовательская группа успешно предложила прорывную стратегию интерфейсной инженерии, которая значительно улучшила промышленный стандарт текстурирования перовскита/Производительность и стабильность кремниевых солнечных элементов.

Основные исследовательские стратегии

• Смешанный двухэтапный метод осаждения перовскита: Совместимость с промышленной текстурированной кремниевой базой

• ПДАИТехнология обработки поверхностей: Введение1,3 -Диаминопропан дигидройодид для обработки поверхности перовскита, чтобы уменьшить перовскит и слой передачи электронов (С60Смещение полосы проводимости между ними и индуцирование аккумуляции электронов по всему поглощающему слою перовскита

Научные достижения и технические перспективы

Рис.4D

• Основные инновации: механизм пассивации глубокого полевого эффекта накопления электронов

• Преодоление традиционных ограничений пассивации интерфейса только для подавления композиции интерфейса,ПДАИИндукция значительного накопления электронов по всему перовскитному абсорбционному слою

• Успешное снижение перовскитаС60Смещение полосы пропускания (ΔEC, ETL) Уменьшение комбинированных потерь интерфейса

• Значительно улучшить проводимость абсорбционного слоя перовскита, значительно уменьшить потерю переноса носителей, улучшить производительность коэффициента заполнения

• Прорыв в работе устройства

• Эффективность преобразования энергии (ПЦЕ)до 33,1%Установить новый уровень текстурированных слоистых батарей

• Открытое напряжение (ЛОС)Гандам 2,01 ВУстранение старых текстурированных устройств>100 мВРазница в производительности

• Коэффициент заполнения (ФФ)Значительное улучшение, подтверждающее эффективность стратегии снижения потерь передачи

• Производительность архитектуры промышленной совместимости сопоставима с текущими устройствами для ведения записей.

• Высокая стабильность и потенциал промышленного применения

• получитьСертифицированный31,6%стабильныйПЦЕПоказать практическую ценность применения

• ПДАИОбработка путем подавления миграции ионов значительно повышает долгосрочную операционную стабильность устройства

• Отличная работа в горячей и влажной наружной среде и влажных тепловых испытаниях на побережье Красного моря, даФФиЛОСПотери хорошо сопротивляются

• Стратегия показывает воспроизведение между различными исследовательскими институтами, доказывая жизнеспособность индустриализации

Экспериментальные шаги и процессы

Рис.4В

1. Приготовление батареи на дне кремния

использовать250 мкмтолстыйpкремниевый круг с плавающей зоной типа1 Ω· cm）， 利用КОХРаствор для промышленной стандартизации двухсторонней случайной пирамидальной текстуры, образования1-4 мкмВысокая пирамидальная структура. После влажной химической очистки озоном,ПЭКВДТехнология двухстороннего осаждения/Пассивный слой кристаллического кремния (~ 27 нм) и распылять спереди и сзади соответственноИТОРеструктуризация (20 нм& ПолностьюИТО/АгЭлектрическая структура. В конце концов, кристаллический лазер2,2×2,2 см²или2,5×2,5 см²Базовая доска, зарезервированная1×1 см² ИТОСварочный диск как активная зона.

2. Методы смешанного осаждения перовскитных верхних батарей

Силиконовые пластины очищаются этанолом иУФ/После обработки озоновым слоем начинается циклическое осаждениеMe-4PACzУровень передачи дырок. Использование перовскитного абсорбционного слояИнновационное двухэтапное испарение./Метод закручиванияПодготовка: (i)Совокупное испарениеПБИДи/ CsXНеорганический скелет (~ 550 нм), (ii)Динамическое вращениеФАИ/ФАБРОрганический галогенидный раствор (с небольшим количеством кристаллизаторов мочевины) и путем корректировкиFABr/FAIПропорционально контролируемая зона (1.67 или1,70 ЭВВ)). После завершения в воздухе100°Сотжиг 10 Минут.

3. ПДАИРеализация стратегии пассивации интерфейса

После образования кальциево - титанового пласта вводитсяОсновные инновационные технологии-1,3 -Диаминопропан дигидройодид (ПДАИ) Обработка поверхностейА.ПДАИРастворимый в хлорбензоле/В смеси изопропиловых растворителейПеремотка или выщелачиваниеМетод осаждения (метод погружения показывает хорошую масштабируемость), затем100°Сотжиг 3 Минуты реализации перовскитаС60Глубокая пассивация интерфейса.

4. Конструкция электродов и оптических слоев

завершитьПДАИПосле обработки, последовательное вакуумное испарениеС60Электронный (18 нм),АЛДОсадкиСНОₓ Буферный (15-30 нмА,80°СПрозрачные токопроводящие оксиды в верхней части экранного распыления (ИТОилиинформация), испарениеАгВерхний электрод (650 нм) Последнее тепловое испарениеМгФₓ Отражение (140 нмВ)). Все процессы испарения точно контролируются кварцевыми микровесами.

5. Оценка стабильности и упаковка

Для оценки долгосрочной стабильности применяетсяфотоэлектрическиеПодключение батареи к серебряной плазме и ее упаковка промышленного класса. Конструкция состоит из солнечного стекла,ТПУУпаковочный агент иВВПКраевой герметик, в целом в вакуумном слоевом прессе120°Собработка 20 Минуты, чтобы обеспечить отличную производительность защиты окружающей среды.

Результаты исследований и их характеристики

квазифермионное деление(QFLS)Анализ изображений

QFLSОткрытое напряжение для количественных материалов(ЛОС)Потенциал, чтобы помочь исследователям понять источник нерадиоактивных композитных потерь и оценить влияние различных процессов на свойства материала, предоставив доказательства для интерфейсной инженерии и оптимизации материалов.

квазифермионное расщепление эталонной перовскитной пленки(ИЛОС)Изображение показывает большую пространственную волатильность, стандартное отклонение(σ)за38 мВСредний показатель составляет1,23 ВПосле. ПДАИПосле обработки,ИЛОКПространственная однородность значительно улучшилась,σСнижение до26 мВВ среднемИЛОКУвеличилось.20 мВдостигать1,25 ВЭто показывает, чтоПДАИИмеет незначительные химические пассивные свойства. В отложенияхС60После того, как стек ссылокИЛОКпадение80 мВдо1,15 ВИ более широкое распространение.(σ = 65 мВ)Но... ПДАИСклад после пассивацииИЛОКДержи.1,23 ВРаспределение более узкое.(σ = 17 мВ)А.

Рис. 3АПоказать ссылки иПДАИПосле обработки перовскитовых пленокИЛОКИзображение.

Для точного освоения материала.QFLSСвойства и быстрая оценка их потенциала,Энелитех的QFLS-КартировщикПрибор для обнаружения квазифермионного деления идеально подходит.Он может быть очень быстрым (QFLSИзображение отсутствует. 3 Секунда,Псевдо J-VНе кривая 2 Минуты) Обеспечение интуитивно понятногоQFLSВизуальное изображение, измерениеИЛОКАПсевдо J-VАПЛКИиEL-EQEТакие ключевые параметры. Это не только поможет исследователям быстро предсказать предел эффективности материала, но и визуально увидеть качество материала и распределение квазиферметрового энергетического порядка, что значительно повысит эффективность исследований и разработок.

Дж-ВИзмерение кривых

Для непосредственной оценки ключевых параметров производительности солнечных батарей. ФальшивыйJ-V (псевдо-J-V)Кривые используются для количественной оценки последовательного сопротивления устройства.(РС)И потеря передачи.

ПроникновениеПДАИСтратегия, устройство ПЦЕот29,1%Повышение до32,3%В том числе ЛОСот1,83 ВУвеличить до1,94 ВА,ФФот79,4%Повышение до81,6%. Рекордные устройства достигли большего 33,1%的ПЦЕи2,01 В的ЛОСА.

ФальшивыйДж-ВИзмерения показывают,ПДАИКоэффициент псевдозаполнения после обработки(pFF)& РеальностьФФРазница между справочными устройствами6%Значительное снижение до3%В то же время,Точка мощности(МПП)Последовательное сопротивление(РС)Также из 6 Ом-Квадратный сантиметр уменьшен до 3 Ом-Квадратный сантиметрЭто показывает, чтоПДАИСнижается, главным образом, за счет регулирования плотности носителей.РСНеом вклад, тем самым уменьшая потери передачи.

Рис. 4D Показаны слои солнечных батарей.Дж-ВКривая, ееПЦЕдостигать33,1%А,ЛОСза2,01 ВЭто подчеркивает прорыв в производительности стратегии исследования.

Рис. 3E Описание ссылок иПДАИПассивный слой солнечных батарейДж-ВФальшивыйДж-В& ВыводДж-ВКривая, наглядно показываетПДАИКак уменьшитьПФФиФФРазрыв между ними доказывает свою эффективность в снижении потерь передачи.

Рис. S17A Дальнейшее предоставление естьПДАИОбработка и отсутствиеПДАИОбработка устройств при прямом и обратном сканированииДж-ВКривая и ее подробные фотоэлектрические параметры ясно показываютПДАИвЛОСАФФиПЦЕПовышение вверх.

Выполнение точныхДж-ВИзмерение кривых, особенно для солнечных элементов нового поколения, таких как перовскит/Силиконовые батареи,Энелитех的 СС-X AM1.5Gимитатор солнечного света стандартного спектра Можно предоставитьА+Спектральная точность и отличная стабильность. Вместе с ним ИВС-КА6000Комплексное программное обеспечение для тестированияИ не только выполнять положительное направление./обратныйIVСканирование и многоканальное тестирование, лучшеНРЭЛФункция асимптотического обнаружения.SS-XСочетаниеСС-ИРИСТехнология, которая автоматически регулирует интенсивность света без изменения спектраSun-Voc компаниейЖдем сложных испытаний.

EQEизмерение

Измерения используются для определения эффективности сбора тока солнечными батареями при освещении на разных длинах волн и оценки соответствия тока между различными подсистемами слоистых батарей.

ПДАИПосле обработки устройства плотность тока короткого замыкания(АО)Оставайтесь неизменными.Этот результат иEQEСоответствует результатам измерений альбедо. Исследователи также использовали перовскит,1,67 ЭВПерейти на1,70 ЭВДля достижения лучшего соответствия току, что еще больше повышает производительность устройства.EQEСтабильность кривой также косвенно доказывает, что долгосрочная стабильность устройства не пострадала.

Рис. S17B Представлены ссылки иПДАИУстройство обработкиEQEИзмерения показали, что кривые спектральных реакций обоих схожи и поддерживаютАОПоследовательное наблюдение.

Рис. S17C Показаны соответствующие измерения альбедо, что дополнительно подтверждает сопоставимость оптического управления.

Рис. S23A Показать разные полосы (1,67 ЭВи1,70 ЭВ) УстройстваEQEИзмерения подчеркивают, как регулировка зазора влияет на спектральные края поглощения перовскитных субэлементов для достижения соответствия тока.

Энелитех的 QE-RКвантовая система измерения эффективности Это надежный инструмент в фотоэлектрических исследованиях, который с его повторяемостью и точностью широко используется в более чем 500 Одна фотоэлектрическая исследовательская лаборатория,Тысяча.Множество статейСКИСсылки на диссертацию, включая флагманские журналы, такие как "Nature", "Science" и другие.QE-RСистема специально спроектирована для двойного независимого фазового усилителя, который может точно измерять квантовую эффективность многократных солнечных элементов, включая перовскит/Кристаллический кремниевый слой солнечных элементов. Он предоставляетEQEАIPCEАСРАИКЕМногие данные, такие как альбедо, и могут выполнять интегральные вычисления тока.

УПСиАМ-КПФМизмерение

спектр ультрафиолетовых фотоэлектронов(UPS)Функция работы для анализа пленки(Wf)& Ионизирующий потенциал(ИП)Для изучения перовскитаС60Выровнять энергетические полосы интерфейса. зондовый силовой микроскоп Кельвина с амплитудной модуляцией(AM-KPFM)Он используется для проверки изменений функции работы и наблюдения за однородностью распределения потенциалов на поверхности.

УПСИзмерения показывают,ПДАИФункция плёночной работы перовскита после пассивации(Wf)Это больше, чем контрольный образец.270 меВ(от4,49 ЭВУвеличение4,76 ЭВ). Ионизирующий потенциал.(ИП)Изменения указывают на образование диполей. Это двойное образование приводит к тому, чтоС60Интерфейс может быть смещен от эталонного образца180 меВМинимизировать до70 меВА.АМ-КПФМРезультаты также показали,ПДАИПосле обработки потенциал поверхности распределяется более равномерно.

Рис. 2А Представлены ссылки иПДАИОбработка вторичных электронных отсеков пленкиУПСРезультаты измерений.

Рис. 2С Показать ссылки иПДАИОбработка пленки иС60Рисунок энергетического пояса.

Рис. S9G А черезАМ-КПФМИзмерения показывают ссылки иПДАИОбработка распределения рабочих функций пленки.

ДФТРасчет

Расчеты используются для глубокого понимания теоретического уровняПДАИМолекулы образуют дипольный механизм и направление на поверхности перовскита.

ДФТРасчеты показываютПДАИМолекулы имеют 8.27 Dдипольный моментИ исследование показало,ПДАИС органически обогащенными поверхностями перовскита (смешанное испарение, используемое в настоящем исследовании)/Поверхность, созданная методом закручивания) при взаимодействииПоказать направлениеС60Положительный дипольЭто приводит к увеличению функции работы. Это согласуется с наблюдаемой экспериментальной тенденцией к увеличению рабочих функций.

Рис. 2D ПоказатьПДАИХимическая структура молекул и электростатический потенциал.

Рис. 2F Покажи.ПДАИ& Органический терминалMAPbI3Оптимизированная структура и разница в плотности индукционного заряда после взаимодействия.

Рис. 2G Появляется.ПбИ2-Конечные иМАИ-ТерминалMAPbI3Есть лиПДАИВычислительная функция в случае.

Анализ времениPL (TRPL)& Переходный спектр поглощения(ТА)

фотолюминесценция с анализом времени(ТРПЛ)Измерения используются для развязывания конкурентных процессов переноса заряда в интерфейсе и композиции заряда в интерфейсе. Переходное поглощение(ТА)Спектр используется для детального изучения динамики носителей в наносекундном масштабе времени и сигналов в невозвратных ловушках.

СС60Справочный образец, дифференциальный срок службы которого в~ 1 мксДостижение периода платформы, по сравнению с отсутствиемС60Ссылка на образец была уменьшена на порядок, что указывает на то, что интерфейсный комплекс доминирует в динамике. Для сравнения,проходитьПДАИОбработка и сС60Стек показывает, что период существования дифференциальной платформы примерно равен~ 10 мксВ то время как нетС60Время~ 13 мксЭто убедительно показывает,Интерфейс в целевом стеке значительно меньшеА.ТАИзмерения также показали, что сигналы долгоживущих носителей неглубокой ловушки, присутствующие в эталонных образцах,ПДАИИсчезает после обработки.ПДАИОбработка ссылокС60СкладнойТАСредневзвешенный срок службы носителей27 нзУвеличить до53 нзПодтверждениеЛОСОсновной причиной улучшения является уменьшение сложности интерфейса.

Рис. 3B Показать ссылки иПДАИВремя обработки пленки.ПЛКривая затухания.

Рис. 3D Показывает переменную абсорбциюПДАИОбработка кривых обесцвечивания полос пленки.

Солнца-ЛОСизмерение

Выполняется в условиях открытого контура, избегая извлечения заряда, получения псевдоДж-ВКривая считается без потери передачи и может быть использована для количественной оценки общего последовательного сопротивления(РС)А.

Измерения показали, что, хотя псевдокоэффициент заполнения(pFF)Держи.85%Неизменным, но pFF-FFРазница вПДАИПассивное устройство6%Уменьшить до3%Поэтому в точке мощности(МПП)Последовательное сопротивление(РС)Расчеты значительно снизились,от 6 Ом-Снижение квадратного сантиметра 3 Ом-Квадратный сантиметр. Оценка при различных эксплуатационных напряженияхРСЦелевое устройство показывает меньший наклон, подчеркиваяПДАИВ основном за счет регулирования плотности носителей, уменьшаетсяРСНеом - вклад.

Рис. 3E Показать ссылки иПДАИПассивный слой солнечных батарейДж-ВФальшивыйДж-В& ВыводДж-ВКривая.

Рис. S14 Описание ссылок иПДАИПроцессор при различном рабочем напряжении.РСКривая.

экстракция вспомогательного заряда смещения(БАСЕ)измерение

Используется для количественной оценки концентрации движущихся ионов в солнечных батареях, что имеет решающее значение для понимания долгосрочной эксплуатационной стабильности перовскитных устройств.

После проверки стабильности,Концентрация подвижных ионов в эталонных приборах(6,5 × 10^17 см)А³)Это устройство - мишень.(2,6 × 10^17 см)А³)Почти в три разаЭто может быть явной причиной ускоренного разложения эталонного устройства. Результаты показали, что послеПДАИИзмененный перовскитС60Интерфейс может эффективно фиксировать миграцию ионов, тем самым повышая операционную стабильность устройства.

Рис. S26A, B Представлены типичные ссылки на солнечные батареи иПДАИПассивные солнечные батареи до и после испытаний на стабильностьБАСЕРезультаты измерений.

Другие признаки

Устойчивость наружного воздуха и гидротермальные испытания Проверка долгосрочной надежности устройства в реальной операционной среде.ПДАИПассивные устройства демонстрируют стабильность на открытом воздухе вдоль побережья Красного моря, во время влажных и тепловых испытанийПЦЕКоэффициент удержания относительно начальной производительности73,7%Повышение до83,4%Значительное повышениеФФиЛОСУстойчивость к распаду.(Рис. 4F, рис. S27)

ХРадиоэлектронный спектр (XPS) подтверждениеПДАИМолекулы успешно адсорбируются и химически взаимодействуют на поверхности перовскита. ОбнаруженПДАИМолекулярные сигналы,С-НКлавишный сигнал усиливается,N 1сАПб 3dиЯ 3dПеремещение основного энергетического уровня к низкому связанному энергетическому уровню подтверждаетсяПДАИЭффективное взаимодействие с поверхностью перовскита.(рис. S5A-D)

Структурные характеристики (XRD, GIWAXS, STEM) ПроверкаПДАИОбработка не влияет на целостность кристаллической структуры перовскита. подтверждая, что в системе не образуется низкоразмерная перовскитная фаза,3DСтруктура перовскита остается неизменной на интерфейсе,ПДАИОбработка не оказывает существенного влияния на форму перовскита.(рис. S6A-G, рис. S7C-E)

Сканирующий электронный микроскоп (СЕМ) Наблюдение за формой поперечного сечения прибора и поверхностной структурой перовскитной пленки. Подтвердить, что слои имеют четкую структуру,ПДАИДобавление не привело к изменению видимых размеров гранул перовскита, поддерживая хорошую конформность пленки.(Рис. 4В, рис. S8А-В)

Терагерцовый спектр и пространственный заряд ограничивают ток (SCLC) Измерите скорость миграции носителей и плотность дефектов, поймите механизм повышения электропроводности. Коэффициент переноса (16,5-18,5 см²/С), концентрация электронов повышается до основной причины снижения последовательного сопротивления, плотность дефекта от1.55 × 10 ^ 15Снижение1,15×10^15 см^-3А.(рис. S15, рис. S16A-B)

Выводы и выводы

Успешное развитие исследований на основе1,3 -Диаминопропан дигидройодид (ПДАИ)Стратегия пассивации значительно повышает промышленный стандарт текстурирования перовскита на основе кремния/Эффективность и стабильность кремниевых солнечных элементов.

Рекордная производительность устройства

Реализация устройства33,1%Эффективность фотоэлектрического преобразования (ПЦЕ) и2,01 ВОткрытое напряжение (ЛОС)В том числеСтабилизация аутентификацииПЦЕдо31,6%Это уравнивает производительность текстурированных кремниевых слоистых батарей с текущими записями плоских слоистых батарей, доказывая возможность эффективной пассивации на сложных промышленных фундаментах и преодолевая проблемы пассивации, связанные с высокой поверхностью.

Основные инновации: механизм пассивации глубокого полевого эффекта

ПДАИсквозная функция В перовскитеС60Интерфейс индуцирует положительный дипольный момент, будетСмещение полосы (ΔEC, ETL) Из справочного устройства180 меВУйти к целевому устройству70 меВ. Ключевым прорывом является пассивация эффекта глубокого поля. Расширение электронного накопления доВесь перовскитовый абсорбционный материалПри этом средняя концентрация электронов в абсорбционном слое выводится из аналоговой1×10 ^ 14Повышение до4×10^15 см^-3Это заметно.Повышает электропроводность поглощающего слоя и уменьшает потери при передаче носителейСтаньте фактором заполнения (ФФ) Основные движущие силы улучшения.

Отличная долгосрочная стабильность.

Устройства на открытом воздухе на побережье Красного моря Превышение непрерывности1000Поддерживайте стабильный выход в течение часа, влажные и тепловые испытания (85°C, 85%RH, 1000В часах),ПЦЕОтносительно начальных характеристикПроцент удержания от73,7%Повышение до83,4%А.ПДАИЭффективная обработкаСтационарный перовскитС60Миграция ионов на границеЭто значительно снижает концентрацию движущихся ионов и радикально улучшает операционную стабильность устройства.

Потенциал промышленного применения

Стратегия совместима с промышленностью.Смешанное двухступенчатое осаждениеСоответствие, подходит для текстурированных кремниевых пластин размером с большую пирамиду. Исследование подтвердило прохождениезамачиваниеОсадкиПДАИМасштабируемость, механизм действия позволяет ему успешно повышать производительность в различных композициях перовскита.

Источник: Science DOI: 10.1126 / science.adx1745

Эта статья для Enlitech Light Technology переписана для научного обмена Если есть какие - либо нарушения, пожалуйста, сообщите