Pengantar Produk

Sel surya tandem perovskite/silikon monolitik adalah salah satu jalur paling jelas untuk melewati batas efisiensi perangkat sel tunggal. Sel atas dan sel bawah dihubungkan secara seri melalui lapisan interkoneksi rekombinasi, dan seberapa baik antarmuka tersebut menentukan apakah pembawa muatan dapat diangkut dan direkombinasi dengan lancar. Masalahnya terletak pada permukaan bertekstur mikro-piramida dari sel bawah silikon heterojunction (SHJ). Piramida tersebut memiliki tinggi sekitar 600 nm, dan di medan tersebut lapisan rekombinasi mengalami kerugian optik parasit sementara lapisan tunggal terorganisir sendiri (SAM) tidak pernah menyebar secara merata. Seiring waktu, hal ini menurunkan kinerja perangkat.

Penelitian ini mengukur lapisan interkoneksi indium tin oxide (ITO) dari ketebalan 2 hingga 30 nm dan menemukan bahwa lapisan setebal 8 nm yang sangat tipis bekerja paling baik dalam dua hal sekaligus: mengurangi kerugian optik dan meningkatkan keseragaman potensial permukaan. Setelah modifikasi NiOx dan fungsionalisasi Poly-SAM ditambahkan di atasnya, kerapatan arus hubung singkat naik sebesar 0,85 mA cm⁻² menjadi 20,82 mA cm⁻², efisiensi konversi daya mencapai 31,80%, dan setelah 500 jam pelacakan titik daya maksimum, perangkat masih mempertahankan 96% dari efisiensi awalnya.

Metode Eksperimental

Sel bawah SHJ menggunakan wafer silikon tipe-n, tebal 110 ± 10 µm, tekstur dua sisi KOH menjadi piramida setinggi sekitar 600 nm. Setelah pembersihan RCA, PECVD mendepositkan lapisan pasivasi dan doping secara berurutan: sisi depan mendapat a-Si:H(i) intrinsik 8 nm ditambah nc-SiOx:H(n) tipe-n 15 nm, sisi belakang mendapat a-Si:H(p) tipe-p 8 nm, kemudian ITO 110 nm ditaburkan dan Ag 700 nm diuapkan di bagian belakang. Di bagian depan, enam ketebalan interkoneksi ITO didepositkan secara terpisah: 2, 5, 8, 10, 20 dan 30 nm, dianil pada 180°C dan digores laser.

Sel atas perovskite mengikuti rute ini. Sel bawah dianil dan diolah dengan UV-ozon terlebih dahulu, kemudian NiOx diendapkan dengan magnetron sputtering, diikuti dengan langkah anil dan UV-ozon lainnya. Di dalam glovebox nitrogen, Poly-SAM dilapiskan dengan spin-coating (0,5 mg mL⁻¹, pelarut metanol dan klorobenzena dengan perbandingan 1:1) dan dianil pada suhu 100°C. Perovskite adalah Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ dengan celah pita 1,68 eV, dilapiskan dengan spin-coating dalam dua langkah, dengan klorobenzena diteteskan sebagai antipelarut selama tahap kecepatan tinggi dan dipanggang pada suhu 100°C selama 20 menit. Permukaannya dimodifikasi dengan PDADI, kemudian C₆₀ diuapkan secara termal, SnO₂ ditumbuhkan dengan ALD, IZO setebal 45 nm dilapiskan dengan sputtering, elektroda Ag diuapkan, dan akhirnya film anti-refleksi MgF₂ menutup tumpukan.

Keunggulan Teknis

Sifat Optoelektronik Lapisan Interkoneksi ITO

(a) Rsh, Ne dan µ versus ketebalan (n = 10); (b) absorptansi dan reflektansi optik dari lapisan ITO; (c) fungsi kerja versus ketebalan; (d) pergeseran fungsi kerja (ΔWF) sebelum dan sesudah perlakuan NiOx pada berbagai ketebalan; (e) skema distribusi SAM pada ITO yang dimodifikasi NiOx; (f) peta potensial permukaan KPFM dari ITO interkoneksi setebal 2–30 nm; (g) peta potensial permukaan KPFM dari ITO interkoneksi setebal 8 nm sebelum dan sesudah fungsionalisasi NiOx dan Poly-SAM.

Pengukuran efek Hall menunjukkan resistansi lembar menurun seiring bertambahnya ketebalan film, seperti yang diharapkan. Konsentrasi pembawa tetap cukup stabil antara 8 dan 30 nm, sekitar 2,8 hingga 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, tetapi begitu di bawah 8 nm mulai menurun. Mobilitas hanya sedikit menurun pada rentang sempit 2 hingga 8 nm, tanda bahwa integritas film masih utuh. Ketebalan 8 nm berada tepat di titik optimal di mana resistansi lembar cukup rendah dan kinerja listrik belum runtuh.

(a) Spektrum XPS resolusi tinggi O 1s yang dicocokkan puncaknya dari lapisan ITO pada permukaan sel bawah c-Si bertekstur. (b) Spektrum XPS resolusi tinggi dari lapisan ITO setebal 8 nm pada sel bawah c-Si bertekstur sebelum dan sesudah modifikasi NiOx. (c) Gambar SEM penampang melintang dari lapisan ITO setebal 8 nm pada sel bawah c-Si bertekstur. (d) Peta unsur EDS yang sesuai dari daerah fokus sampel ITO setebal 8 nm, dengan legenda warna-unsur di kanan atas.

Secara optik, penipisan ITO menurunkan reflektansi dan absorptansi di atas 450 nm, berkat interferensi destruktif ditambah absorpsi pembawa bebas yang lebih lemah.

• UPS menunjukkan fungsi kerja meningkat seiring berkurangnya ketebalan, dan setelah modifikasi NiOx serta anil, puncak pergeseran fungsi kerja terjadi pada 8 nm.

• Pemindaian area KPFM mengungkapkan bahwa ITO di bawah 10 nm menekan semua titik shunt lokal, dengan 8 nm memberikan keseragaman terbaik.

• XPS menemukan detail menarik: permukaan ITO 8 nm memiliki densitas hidroksil yang lebih tinggi daripada yang 20 nm, dan hidroksil tersebut membentuk ikatan jembatan In─O─Ni dengan NiOx, memungkinkan NiOx menyebar lebih merata dan melekat lebih kuat. Setelah modifikasi, sinyal In hilang sepenuhnya, yang menunjukkan kualitas lapisan penutup sangat baik dan meletakkan dasar yang baik untuk perakitan mandiri SAM yang mengikutinya.

• SEM dan EDS juga mengonfirmasi bahwa ITO 8 nm memberikan cakupan konformal di atas tekstur.

Kinerja Fotovoltaik Sel Tandem

(a) Variasi Jsc pada sel tandem perovskite/silikon; (b) variasi Voc; (c) variasi FF; (d) variasi PCE; (e) gambar SEM penampang sel tandem pada ITO; (f) pola XRD film perovskite pada ITO; (g) spektrum PL keadaan tunak film perovskite pada ITO; (h) kurva PL keadaan tunak yang dinormalisasi; (i) spektrum peluruhan TRPL transien film perovskite pada ITO; (j) gambar fotoluminesensi sel tandem, area aktif 0,928 cm².

Keenam ketebalan interkoneksi ITO diuji melalui J-V.

• Di bawah 5 nm, Voc dan FF turun drastis. Voc tidak dapat didorong melebihi 1,7 V dan PCE hanya mencapai 21,68%, terutama karena film sudah tidak kontinu pada tekstur piramida.

• 8 nm adalah jawaban terbaik. SEM penampang menunjukkan butir perovskite lebih besar dan lebih padat pada ITO ultra-tipis (di bawah 10 nm), dan XRD mengonfirmasi kualitas kristal yang lebih baik, meskipun sampel 5 nm menunjukkan puncak PbI₂, tanda degradasi telah dimulai. Intensitas PL keadaan tunak meningkat dari 30 nm hingga 8 nm, lalu turun lagi, sehingga 8 nm berada tepat di puncak, sesuai dengan densitas cacat terendah.

• Puncak karakteristik PL yang dinormalisasi tidak bergeser, yang berarti sifat rekombinasi non-radiatif antarmuka tetap sama. Masa pakai pembawa TRPL juga paling panjang pada 8 nm. Hasil ini kembali ke dipol net yang lebih kuat dan fungsi kerja yang lebih seragam yang dibawa oleh Poly-SAM, meningkatkan Voc dan FF bersama-sama. Pencitraan PL juga mengungkapkan ketidakseragaman sub-mikron di dalam sub-sel perovskite, tetapi lapisan ITO resistansi tinggi ultra-tipis memiliki resistivitas lateral yang tinggi, sehingga jangkauan shunt lokal secara efektif dibatasi dan tidak pernah menyeret seluruh perangkat ke bawah.

Peningkatan Kerapatan Arus

(a) Kurva EQE sub-sel perovskit dan silikon di bawah lapisan interkoneksi ITO 8 nm; (b) Kurva EQE sel tandem awal dan optimal.

Lapisan IZO depan dinilai dengan figure of merit Aw × Rsheet⁻¹, dan 45 nm memberikan hasil terbaik. Penipisan ITO interkoneksi dari 20 nm menjadi 10 nm menjadi 8 nm meningkatkan Jsc rata-rata dari 19,78 menjadi 19,96 menjadi 20,55 mA cm⁻². Kerapatan arus terintegrasi EQE dari sub-sel perovskit dan silikon masing-masing adalah 20,64 dan 20,51 mA cm⁻², sesuai dengan data J-V. Dibandingkan dengan ITO 20 nm, ITO 8 nm memberikan tambahan 0,06 mA cm⁻² pada sub-sel perovskit dan 0,47 pada sub-sel silikon, dengan kontribusi inframerah dekat dari sel bawah silikon yang paling meningkat.

Aplikasi Produk

Kinerja dan Stabilitas Perangkat

(a) Skema struktur dan foto sel surya tandem perovskit/silikon; (b) gambar SEM penampang melintang sel tandem; (c) kurva J-V sub-sel perovskit dan silikon sambungan tunggal; (d) kurva J-V representatif dari sel berkinerja tinggi; (e) variasi Rs pada sel tandem perovskit/silikon yang dibangun di atas lapisan interkoneksi ITO 30 nm hingga 2 nm; (f) hasil uji MPPT sel tandem yang dienkapsulasi di bawah iluminasi 1-matahari.

Setelah ketebalan interkoneksi ITO disetel, PCE rata-rata perangkat tandem meningkat dari 28,64% menjadi 30,67%. ITO 2 nm memiliki resistansi seri Rs setinggi 41,26 Ω, sehingga koneksi seri pada dasarnya putus. Rs 8 nm jauh lebih rendah, impedansi internal menurun, dan kehilangan tegangan di dekat titik daya maksimum menyusut. Dalam hal stabilitas, sel tandem ITO 8 nm mempertahankan 96% dari PCE awalnya setelah 500 jam MPPT, sementara sel ITO 20 nm hanya mempertahankan 90%, menempatkannya di antara yang paling stabil dalam keluarga interkoneksi TCO/SAM. Mengapa begitu stabil? Cakupan Poly-SAM tinggi, dan kristalisasi perovskit meningkat seiring dengannya.

Wilayah yang dilapisi SAM memiliki energi permukaan rendah, dan gugus asam fosfonat berkoordinasi dengan Pb²⁺ dan FA⁺, memandu perovskit untuk tumbuh secara lambat dan teratur, sehingga butiran yang dihasilkan besar. Pada wilayah ITO telanjang tidak ada efek templat seperti itu, nukleasi berlangsung cepat dan tidak teratur, dan butiran berakhir kecil dengan banyak batas butir. Di atas itu, Poly-SAM mempasifkan ikatan tak jenuh dan kekosongan halida pada antarmuka, migrasi halida ditekan, dan degradasi melambat. Potensi permukaan seragam yang dibawa oleh ITO ultra-tipis itu sendiri juga membantu, dan dengan beberapa faktor yang bertumpuk, masa pakai perangkat meningkat.

Pengujian stabilitas MPPT di sini mengandalkan simulator surya LED kelas 3A+ sebagai sumber cahaya penuaan, yang dapat mengontrol suhu sel dan atmosfer sekitarnya dalam beberapa cara untuk menjalankan pengujian stabilitas jangka panjang.

Kesimpulan dan Prospek

8 nm adalah ketebalan interkoneksi ITO optimal untuk sel tandem perovskit/silikon. Ketebalan ini meningkatkan kualitas kristal perovskit dan menekan absorpsi parasit. Setelah modifikasi NiOx dan fungsionalisasi Poly-SAM, potensi permukaan menjadi lebih seragam dan pergeseran fungsi kerja lebih jelas. Permukaan ITO 8 nm membawa lebih banyak gugus hidroksil, NiOx menyebar merata, SAM terkemas rapat, dan cakupan konformal pada tekstur diverifikasi oleh SEM dan EDS. Dibandingkan dengan ITO 20 nm konvensional, perangkat yang dioptimalkan mencapai efisiensi champion 31,80%, dengan Jsc naik 0,85 mA cm⁻² dan 96% efisiensi awal dipertahankan setelah 500 jam MPPT.

Ke depan, masih banyak yang perlu ditingkatkan. Tekstur belakang dan reflektor optik dapat disempurnakan lebih lanjut untuk memperkuat perangkap cahaya di sel bawah silikon, meningkatkan arusnya, dan mencapai pencocokan arus yang tepat. FF dan Voc masih menjadi hambatan yang membatasi efisiensi keseluruhan, sehingga strategi pasivasi kontak perlu diperdalam. Arsitektur interkoneksi alternatif seperti sambungan terowongan berbasis silikon juga layak dicoba. Dalam hal penskalaan ke produksi, ketebalan TCO dan desain grid metalisasi harus disetel bersama, sehingga pada area luas, bayangan tidak terlalu berat dan konduksi lateral tidak terganggu. Dan dengan lapisan yang lebih tipis, penggunaan indium berkurang, sehingga keberlanjutan juga diuntungkan.

Pandangan Ooitech

Yang menonjol di sini adalah bahwa beberapa nanometer ITO dapat mempengaruhi optik dan kristalisasi pada tekstur piramida 600 nm tersebut, dan masalah cakupan konformal yang sama persis muncul ketika jalur tandem beralih dari kupon laboratorium ke modul ukuran penuh. Di lantai produksi, langkah-langkah tabber-stringer, layup, dan laminasi semuanya harus menghormati antarmuka interkoneksi dan SAM yang rapuh ini, di mana peralatan jalur modul yang seragam dan disetel dengan baik menunjukkan nilainya. Jika Anda ingin melihat bagaimana proses ini terlihat dalam skala pabrik nyata, saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech layak untuk diikuti.