Avanço de Eficiência Certificada de 26,2% em Módulos Tandem Totalmente Perovskita de Grande Área: A Junção de Recombinação de Túnel de Nanocristais de In₂O₃

Introdução

Os módulos solares tandem totalmente perovskita são amplamente considerados um forte concorrente para a tecnologia fotovoltaica de próxima geração graças à sua alta eficiência e potencial de baixo custo. No entanto, a comercialização em grande área tem sido seriamente prejudicada. Enquanto dispositivos de pequena área já ultrapassaram 30% de eficiência, módulos de grande área (≥20 cm²) há muito tempo estão estagnados em torno de 24,5%. Os principais culpados são a forte absorção parasitária no infravermelho próximo e a instabilidade térmica interfacial da estrutura Au/PEDOT:PSS em junções de recombinação de túnel (TRJs) convencionais baseadas em ouro, juntamente com o transporte de carga degradado em filmes de perovskita Pb-Sn de grande área causado pela cristalização não uniforme durante o revestimento por lâmina.

Este estudo desenvolve uma TRJ processada por solução construída sobre nanocristais de In₂O₃ com engenharia de superfície. Ao ajustar a morfologia dos nanocristais e a química da superfície, a equipe alcançou alta transparência óptica, interfaces suaves e alinhamento ideal dos níveis de energia. Ao mesmo tempo, aditivos do tipo ácido fosfônico foram introduzidos no precursor de perovskita Pb-Sn para melhorar o contato eletrônico com a camada de recombinação de In₂O₃, aumentar a extração de buracos e ajustar a cinética de cristalização para aliviar a tensão residual em filmes de grande área. Essa estratégia combinada aumenta simultaneamente a eficiência de recombinação de portadores na junção, a extração de carga e a uniformidade do filme de grande área, resultando em uma eficiência certificada pela JET de 26,2% em uma área de abertura de 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4%, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — um marco importante no caminho para a ampliação de fotovoltaicos tandem de perovskita total.

Projeto e Vantagens da Nova TRJ

O trabalho propõe uma alternativa processada por solução: uma nova TRJ (Tipo III) construída a partir de nanocristais de óxido de índio com engenharia de superfície (NCs de In₂O₃). Ela é sistematicamente comparada com a estrutura convencional Tipo I de Au/PEDOT:PSS e uma estrutura Tipo II baseada em nanocristais comerciais de ITO.

Estrutura e características da interface

Os NCs de In₂O₃ auto-sintetizados têm um tamanho de partícula muito menor do que os NCs comerciais de ITO, formando uma interface enterrada mais suave e reduzindo efetivamente a densidade de defeitos de contato. Testes elétricos mostram que a estrutura Tipo III exibe comportamento de contato ôhmico ideal, sem barreira de transporte de carga.

Estabilidade óptica e térmica

A caracterização óptica mostra que o PEDOT:PSS no Tipo I causa perda severa de absorção parasitária, enquanto o filme de NC de In₂O₃ é altamente transparente opticamente. Sob envelhecimento térmico acelerado a 85°C, a eficiência do módulo Tipo I caiu para menos da metade do valor inicial em 50 horas, enquanto os Tipos II e III baseados em NC mantiveram cerca de 75% da eficiência inicial após 200 horas. Em um substrato de 10×10 cm², filmes de NC revestidos por lâmina mostraram absorção óptica muito mais uniforme do que filmes finos de Au evaporados termicamente, demonstrando plenamente a vantagem inerente dos nanocristais processados por solução na fabricação escalável.

Otimizando a Fabricação de Filmes de Perovskita de Grande Área

Com a perda óptica e a instabilidade da TRJ resolvidas, a fabricação uniforme de filmes de perovskita Pb-Sn de grande área tornou-se a próxima barreira técnica. Os sistemas de solvente convencionais DMF/DMSO têm altos pontos de ebulição e volatilidade lenta, então sua cinética de nucleação fica atrasada durante o revestimento por lâmina de alta velocidade, dificultando a formação de filmes uniformes em grandes substratos.

Para resolver isso, a equipe desenvolveu um sistema de solvente binário baseado em 2-metoxietanol (2-Me) e tetrahidrofurano (THF). Com seu baixo ponto de ebulição e alta pressão de vapor, esse sistema atinge rapidamente a supersaturação crítica e acelera marcadamente a nucleação. Usando-o, a velocidade de revestimento por lâmina de perovskita Pb-Sn foi aumentada de 5 mm/s no sistema DMF tradicional para 30 mm/s, fornecendo intensidade de fotoluminescência (PL) altamente uniforme e excelente consistência do dispositivo em substratos de 10×10 cm² e maiores. Isso resolveu com sucesso o desafio da cinética de cristalização do revestimento em grandes áreas e alcançou uma validação preliminar de eficiência de 17,5% em uma área de abertura de 65 cm².

Engenharia de Ligantes de Superfície e Correspondência de Níveis de Energia

Após remover o PEDOT:PSS, as perdas ópticas diminuíram, mas a tensão de circuito aberto (VOC) e o fator de preenchimento (FF) caíram, atribuídos ao aumento das barreiras de transporte interfacial e à recombinação não radiativa entre a perovskita e a camada de NC. Para resolver isso, o estudo implementou uma estratégia de otimização sinérgica dupla:

Engenharia de ligantes de superfície para ajustar os níveis de energia

Através da troca de ligantes, MMES e MMPA foram usados para modificar a superfície dos NCs de In₂O₃. A espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta (UPS) mostrou que os NCs de In₂O₃ modificados com MMPA alcançam uma curvatura de banda interfacial favorável com o filme de perovskita alvo (curvatura ascendente de cerca de 50 meV), promovendo significativamente a extração de buracos, enquanto a modificação com OAm ou MMES causou curvatura descendente e uma barreira de transporte. Testes de corrente limitada por carga espacial (SCLC) descartaram qualquer interferência dos ligantes na mobilidade em si, confirmando que o ganho de desempenho decorre principalmente do alinhamento otimizado dos níveis de energia.

Dopagem em massa com material seletivo de buracos à base de ácido fosfônico (HSM)

A equipe dopou HSMs de ácido fosfônico, como MeO-2PACz, diretamente no precursor de perovskita Pb-Sn (otimizado em 0,2 mol%) em vez de limitá-los à modificação de interface. Essa estratégia de dopagem em massa evita o problema de cobertura irregular de SAM em grandes áreas. A UPS mostrou que, após a dopagem com HSM, a função trabalho da perovskita mudou de 5,04 eV para 4,81 eV, o máximo da banda de valência subiu e o caráter tipo n enfraqueceu, correspondendo melhor aos níveis de energia dos NCs de In₂O₃. A célula Pb-Sn de junção única resultante sem HTL atingiu 23% de eficiência, enquanto um dispositivo revestido por lâmina usando NCs de In₂O₃-MMPA como camada de transporte de buracos (HTL) alcançou 24,0% de eficiência de varredura reversa com um JSC tão alto quanto 33,8 mA cm⁻².

Múltiplos Papéis do HSM no Filme de Perovskita

O papel do HSM vai muito além do transporte de carga — ele influencia profundamente a cristalização do filme e a passivação de defeitos:

Controle de cristalização e supressão de defeitos

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou que, após a dopagem com HSM, as impurezas dendríticas que originalmente cortavam os contornos de grão no filme de Pb-Sn desapareceram, o tamanho dos grãos cresceu acentuadamente e os contornos de grão adquiriram uma aparência "fundida". GIWAXS e DRX confirmaram que o HSM suprimiu efetivamente a formação da fase de impureza PbI₂. A RMN de ¹H em estado líquido revelou ainda que o HSM, através de desprotonação preferencial, consome grupos fosfônicos ácidos livres, evitando assim sua desprotonação ácida dos cátions FA⁺ e estabilizando a química do precursor.

Dinâmica de portadores melhorada

A espectroscopia de absorção transiente (TAS) mostrou que a recombinação não radiativa assistida por defeitos foi acentuadamente suprimida após a dopagem com HSM. A intensidade de PL em estado estacionário aumentou drasticamente, o tempo de vida médio de PL estendeu-se de 1042 ns para 1889 ns, com passivação especialmente forte na interface inferior, reduzindo efetivamente o aprisionamento de carga na interface enterrada. A espectroscopia OPTP mostrou que a mobilidade dos portadores do filme alvo aumentou de 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ para 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ e o comprimento de difusão cresceu de 2,65 μm para 4,78 μm, confirmando uma melhoria geral na qualidade do filme em massa.

Desempenho e Estabilidade de Módulo de Grande Área

Com base nessas estratégias sinérgicas, a equipe fabricou um módulo tandem totalmente perovskita com área de abertura de 65 cm² (14 subcélulas em série). O módulo campeão usando o TRJ Tipo III (In₂O₃-MMPA) alcançou 26,6% de eficiência testada em laboratório (varredura reversa), com VOC de 30,4 V, JSC de 1,12 mA cm⁻² e FF de 78,2%. Sua eficiência estabilizada certificada pela JET atingiu 26,2%, superando claramente o módulo de controle usando o TRJ Tipo I convencional (24,8%). Após otimização da zona morta, o fator de preenchimento geométrico atingiu 96,5%, resultando em uma eficiência de área ativa equivalente de até 27,6%. O mapeamento espacial de EQE mostrou que, em 16 posições diferentes, as densidades de corrente integradas das subcélulas superior e inferior foram em média 16,3 e 16,2 mA cm⁻², respectivamente — correspondendo de perto aos resultados de J-V e ambos quebrando o gargalo do módulo sub-15 mA cm⁻² relatado anteriormente.

Em termos de confiabilidade, seguindo o padrão IEC 61215:2021, o módulo encapsulado Tipo III atingiu uma vida útil T90 (mantendo 90% da eficiência inicial) de 771 horas sob rastreamento contínuo de MPP de 1-sol, e ainda manteve 82,5% de eficiência após 1000 horas. No exigente teste de calor úmido 85°C/85% UR (ISOS-D-3), o módulo Tipo III atingiu uma vida útil média T84 de 1000 horas, enquanto o módulo Tipo I já havia caído abaixo de 40% de eficiência; no teste de ciclagem térmica de -40°C a 85°C (ISOS-T-3), o módulo Tipo III reteve 93% da eficiência inicial após 200 ciclos. Todos os experimentos de envelhecimento acelerado confirmaram que a estabilidade excepcional do Tipo III decorre da eliminação completa dos fatores de instabilidade desencadeados pelo PEDOT:PSS.

Através de junções de recombinação de nanocristais de In₂O₃ projetadas na superfície e engenharia HSM sinérgica de volume/interface, este trabalho alcançou com sucesso um módulo tandem solar de perovskita certificado com 26,2% de eficiência sobre uma área de abertura de 65 cm², proporcionando avanços abrangentes em tamanho de módulo, eficiência e estabilidade operacional. O trabalho demonstra fortemente o potencial de comercialização da tecnologia fotovoltaica tandem de perovskita. Olhando para o futuro, expandir a área do módulo para além de 800 cm² exigirá otimização sinérgica de processos de deposição, como revestimento por fenda, juntamente com métodos como cristalização assistida a vácuo, para garantir a fabricação uniforme e de alta qualidade de subcélulas de banda larga e estreita em grande área.

Equipamento de Referência e Teste

Um testador MPPT de perovskita composto usando um simulador solar LED de grau A+AA+ como fonte de envelhecimento fornece forte suporte para a pesquisa de células solares de perovskita através de tecnologia avançada e design multifuncional. Tais instrumentos são usados principalmente para testes de estabilidade de células tandem e de junção única de perovskita acabadas. Como as características de saída das células de perovskita são facilmente afetadas por fatores ambientais como luz e temperatura, o ponto de potência máxima flutua com frequência. Um controlador MPPT rastreia e bloqueia o ponto de potência máxima em tempo real, garantindo que o sistema opere sempre na potência de saída ideal.

Referência: Recombinação adaptada por nanocristais para módulos tandem de perovskita

Visão da Ooitech

A Ooitech acredita: junções de recombinação de nanocristais de In₂O₃ projetadas na superfície combinadas com engenharia de volume/interface HSM levaram módulos tandem de perovskita de grande área a uma eficiência certificada de 26,2%, aproximando esta tecnologia de forma decisiva da comercialização.