Terobosan Efisiensi Bersertifikat 26,2% pada Modul Tandem All-Perovskite Area Luas: Persimpangan Rekombinasi Terowongan Nanokristal In₂O₃

Pendahuluan

Modul surya tandem all-perovskite secara luas dianggap sebagai pesaing kuat untuk teknologi fotovoltaik generasi berikutnya berkat efisiensi tinggi dan potensi biaya rendahnya. Namun, komersialisasi area luas telah terhambat secara serius. Sementara perangkat area kecil telah melampaui efisiensi 30%, modul area luas (≥20 cm²) telah lama terjebak di sekitar 24,5%. Penyebab utamanya adalah penyerapan parasit inframerah dekat yang kuat dan ketidakstabilan termal antarmuka dari struktur Au/PEDOT:PSS pada persimpangan rekombinasi terowongan (TRJ) berbasis emas konvensional, bersama dengan transportasi muatan yang terdegradasi pada film perovskite Pb-Sn area luas yang disebabkan oleh kristalisasi tidak seragam selama pelapisan bilah.

Studi ini mengembangkan TRJ yang diproses dengan larutan yang dibangun di atas nanokristal In₂O₃ yang direkayasa permukaannya. Dengan menyesuaikan morfologi nanokristal dan kimia permukaan, tim mencapai transparansi optik tinggi, antarmuka yang halus, dan penyelarasan tingkat energi yang ideal. Pada saat yang sama, aditif jenis asam fosfonat diperkenalkan ke dalam prekursor perovskit Pb-Sn untuk meningkatkan kontak elektronik dengan lapisan rekombinasi In₂O₃, meningkatkan ekstraksi lubang, dan menyesuaikan kinetika kristalisasi untuk mengurangi regangan sisa pada film area luas. Strategi gabungan ini secara bersamaan meningkatkan efisiensi rekombinasi muatan di persimpangan, ekstraksi muatan, dan keseragaman film area luas, yang pada akhirnya menghasilkan efisiensi 26,2% yang disertifikasi JET pada area bukaan 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — sebuah tonggak penting dalam perjalanan menuju penskalaan fotovoltaik tandem semua-perovskit.

Desain dan Keunggulan TRJ Baru

Karya ini mengusulkan alternatif yang diproses dengan larutan: TRJ baru (Tipe III) yang dibangun dari nanokristal indium oksida yang direkayasa permukaannya (In₂O₃ NCs). Ini dibandingkan secara sistematis dengan struktur Tipe I Au/PEDOT:PSS konvensional dan struktur Tipe II berdasarkan nanokristal ITO komersial.

Struktur dan karakteristik antarmuka

In₂O₃ NCs yang disintesis sendiri memiliki ukuran partikel yang jauh lebih kecil daripada ITO NCs komersial, membentuk antarmuka terkubur yang lebih halus dan secara efektif menurunkan kepadatan cacat kontak. Uji listrik menunjukkan struktur Tipe III menunjukkan perilaku kontak ohmik yang ideal tanpa hambatan transportasi muatan.

Stabilitas optik dan termal

Karakterisasi optik menunjukkan bahwa PEDOT:PSS pada Tipe I menyebabkan kerugian absorpsi parasit yang parah, sedangkan film In₂O₃ NC sangat transparan secara optik. Di bawah penuaan termal dipercepat 85°C, efisiensi modul Tipe I turun hingga di bawah setengah nilai awalnya dalam 50 jam, sementara Tipe II dan Tipe III berbasis NC mempertahankan sekitar 75% efisiensi awal setelah 200 jam. Pada substrat 10×10 cm², film NC yang dilapisi pisau menunjukkan absorpsi optik yang jauh lebih seragam daripada film Au tipis yang diuapkan secara termal, sepenuhnya menunjukkan keunggulan inheren nanokristal yang diproses dengan larutan dalam manufaktur yang dapat diskalakan.

Mengoptimalkan Fabrikasi Film Perovskit Area Luas

Dengan kerugian optik dan ketidakstabilan TRJ teratasi, fabrikasi seragam film Pb-Sn perovskit area luas menjadi hambatan teknis berikutnya. Sistem pelarut DMF/DMSO konvensional memiliki titik didih tinggi dan volatilitas lambat, sehingga kinetika nukleasinya tertinggal selama pelapisan pisau kecepatan tinggi, membuatnya sulit untuk membentuk film seragam pada substrat besar.

Untuk mengatasi hal ini, tim mengembangkan sistem pelarut biner berbasis 2-metoksietanol (2-Me) dan tetrahidrofuran (THF). Dengan titik didih rendah dan tekanan uap tinggi, sistem ini dengan cepat mencapai supersaturasi kritis dan secara nyata mempercepat nukleasi. Dengan menggunakannya, kecepatan pelapisan blade Pb-Sn perovskite ditingkatkan dari 5 mm/s pada sistem DMF tradisional hingga 30 mm/s, menghasilkan intensitas fotoluminesensi (PL) yang sangat seragam dan konsistensi perangkat yang sangat baik pada substrat 10×10 cm² dan lebih besar. Ini berhasil memecahkan tantangan kinetika kristalisasi pelapisan area luas dan mencapai validasi efisiensi awal 17,5% pada area bukaan 65 cm².

Rekayasa Ligan Permukaan dan Penyesuaian Tingkat Energi

Setelah menghilangkan PEDOT:PSS, kerugian optik menurun, tetapi tegangan sirkuit terbuka (VOC) dan faktor pengisian (FF) menurun, yang disebabkan oleh peningkatan hambatan transportasi antarmuka dan rekombinasi non-radiatif antara perovskite dan lapisan NC. Untuk mengatasi hal ini, penelitian menerapkan strategi optimasi sinergis ganda:

Rekayasa ligan permukaan untuk menyesuaikan tingkat energi

Melalui pertukaran ligan, MMES dan MMPA digunakan untuk memodifikasi permukaan NC In₂O₃. Spektroskopi fotoelektron ultraviolet (UPS) menunjukkan bahwa NC In₂O₃ yang dimodifikasi MMPA mencapai pembengkokan pita antarmuka yang menguntungkan dengan film perovskite target (pembengkokan ke atas sekitar 50 meV), secara signifikan meningkatkan ekstraksi lubang, sedangkan modifikasi OAm atau MMES menyebabkan pembengkokan ke bawah dan hambatan transportasi. Uji arus terbatas muatan ruang (SCLC) menyingkirkan gangguan ligan pada mobilitas itu sendiri, mengonfirmasi bahwa peningkatan kinerja terutama berasal dari penyesuaian tingkat energi yang dioptimalkan.

Doping massal dengan bahan selektif lubang asam fosfonat (HSM)

Tim mendoping HSM asam fosfonat seperti MeO-2PACz langsung ke prekursor Pb-Sn perovskite (dioptimalkan pada 0,2 mol%) daripada membatasinya pada modifikasi antarmuka. Strategi doping massal ini menghindari masalah cakupan SAM yang tidak merata di area luas. UPS menunjukkan bahwa setelah doping HSM, fungsi kerja perovskite bergeser dari 5,04 eV menjadi 4,81 eV, pita valensi maksimum naik, dan karakter tipe-n melemah, lebih cocok dengan tingkat energi NC In₂O₃. Sel Pb-Sn sambungan tunggal tanpa HTL yang dihasilkan mencapai efisiensi 23%, sementara perangkat berlapis blade yang menggunakan NC In₂O₃-MMPA sebagai lapisan transportasi lubang (HTL) mencapai efisiensi pemindaian balik 24,0% dengan JSC setinggi 33,8 mA cm⁻².

Peran Ganda HSM pada Film Perovskite

Peran HSM jauh melampaui transportasi muatan — ia secara mendalam mempengaruhi kristalisasi film dan pasifasi cacat:

Kontrol kristalisasi dan penekanan cacat

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) menunjukkan bahwa setelah doping HSM, pengotor dendritik yang sebelumnya memotong batas butir dalam film Pb-Sn menghilang, ukuran butir meningkat secara signifikan, dan batas butir tampak 'melebur'. GIWAXS dan XRD mengonfirmasi bahwa HSM secara efektif menekan pembentukan fase pengotor PbI₂. NMR ¹H fase cair lebih lanjut mengungkapkan bahwa HSM, melalui deprotonasi preferensial, mengonsumsi gugus fosfonat asam bebas, sehingga mencegah deprotonasi asam dari kation FA⁺ dan menstabilkan kimia prekursor.

Dinamika pembawa yang lebih baik

Spektroskopi absorpsi transien (TAS) menunjukkan bahwa rekombinasi non-radiatif yang dibantu cacat ditekan secara signifikan setelah doping HSM. Intensitas PL keadaan tunak meningkat tajam, rata-rata masa pakai PL diperpanjang dari 1042 ns menjadi 1889 ns, dengan pasivasi yang sangat kuat di antarmuka bawah, secara efektif mengurangi perangkap muatan di antarmuka terkubur. Spektroskopi OPTP menunjukkan mobilitas pembawa film target meningkat dari 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ menjadi 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ dan panjang difusi tumbuh dari 2,65 μm menjadi 4,78 μm, mengonfirmasi peningkatan menyeluruh dalam kualitas film curah.

Kinerja dan Stabilitas Modul Area Luas

Berdasarkan strategi sinergis ini, tim membuat modul tandem all-perovskite dengan luas bukaan 65 cm² (14 sub-sel secara seri). Modul juara menggunakan TRJ Tipe III (In₂O₃-MMPA) mencapai efisiensi teruji laboratorium 26,6% (pemindaian mundur), dengan VOC 30,4 V, JSC 1,12 mA cm⁻², dan FF 78,2%. Efisiensi stabil bersertifikasi JET mencapai 26,2%, jelas melampaui modul kontrol yang menggunakan TRJ Tipe I konvensional (24,8%). Setelah optimasi zona mati, faktor pengisian geometris mencapai 96,5%, memberikan efisiensi area aktif setara setinggi 27,6%. Pemetaan spasial EQE menunjukkan bahwa, di 16 posisi berbeda, kerapatan arus terintegrasi dari sub-sel atas dan bawah rata-rata masing-masing 16,3 dan 16,2 mA cm⁻² — sangat cocok dengan hasil J-V dan keduanya memecahkan hambatan modul sub-15 mA cm⁻² yang dilaporkan sebelumnya.

Dalam hal keandalan, mengikuti standar IEC 61215:2021, modul Tipe III yang dienkapsulasi mencapai masa pakai T90 (mempertahankan 90% efisiensi awal) selama 771 jam di bawah pelacakan MPP 1-sun terus menerus, dan masih mempertahankan efisiensi 82,5% setelah 1000 jam. Dalam uji panas-lembab 85°C/85% RH yang menuntut (ISOS-D-3), modul Tipe III mencapai masa pakai T84 rata-rata 1000 jam, sementara modul Tipe I telah turun di bawah 40% efisiensi; dalam uji siklus termal -40°C hingga 85°C (ISOS-T-3), modul Tipe III mempertahankan 93% efisiensi awal setelah 200 siklus. Semua eksperimen penuaan yang dipercepat mengonfirmasi bahwa stabilitas luar biasa Tipe III berasal dari penghapusan total faktor ketidakstabilan yang dipicu oleh PEDOT:PSS.

Melalui sambungan rekombinasi nanokristal In₂O₃ yang direkayasa permukaan dan rekayasa HSM bulk/antarmuka yang sinergis, pekerjaan ini berhasil mencapai modul surya tandem semua-perovskit bersertifikasi efisiensi 26,2% pada area bukaan 65 cm², memberikan terobosan komprehensif dalam ukuran modul, efisiensi, dan stabilitas operasional. Pekerjaan ini dengan kuat menunjukkan potensi komersialisasi teknologi fotovoltaik tandem semua-perovskit. Ke depannya, mendorong area modul melampaui 800 cm² akan memerlukan optimalisasi sinergis dari proses deposisi seperti slot-die coating bersama dengan metode seperti kristalisasi berbantuan vakum, untuk memastikan fabrikasi seragam berkualitas tinggi dari sub-sel pita lebar dan pita sempit area luas.

Referensi dan Peralatan Pengujian

Penguji MPPT perovskit komposit yang menggunakan simulator surya LED kelas A+AA+ sebagai sumber penuaan memberikan dukungan kuat untuk penelitian sel surya perovskit melalui teknologi canggih dan desain multifungsi. Instrumen semacam ini terutama digunakan untuk pengujian stabilitas sel tandem dan sambungan tunggal perovskit jadi. Karena karakteristik keluaran sel perovskit mudah dipengaruhi oleh faktor lingkungan seperti cahaya dan suhu, titik daya maksimum sering berfluktuasi. Pengontrol MPPT melacak dan mengunci titik daya maksimum secara real-time, memastikan sistem selalu beroperasi pada keluaran daya optimal.

Referensi: Rekombinasi yang disesuaikan nanokristal untuk modul surya tandem semua-perovskit

Pandangan Ooitech

Ooitech percaya: sambungan rekombinasi nanokristal In₂O₃ yang direkayasa permukaan dipasangkan dengan rekayasa bulk/antarmuka HSM telah mendorong modul tandem semua-perovskit area luas hingga efisiensi bersertifikasi 26,2%, membawa teknologi ini selangkah lebih dekat menuju komersialisasi.