Eficiência de 33,25%, retenção de MPPT de 96% após 1000 horas:

Resposta rápida: Uma célula tandem de perovskita-silício atingiu 33,25% de eficiência, mantendo 96% do seu ponto de potência máxima após 1000 horas de teste. Essa combinação é o ponto: os recordes de eficiência tandem já não são a limitação, a estabilidade é. A célula empilha uma junção superior de perovskita sobre uma junção inferior de silício, para que cada uma absorva a parte do espectro que converte melhor, o que impulsiona a eficiência muito além do teto de cerca de 27% de uma célula de silício de junção única. O resultado de estabilidade envolveu exposição a calor húmido a 85 °C, e as medições usaram intervalos espectrais em torno de 400 nm, 750 nm e 1150 nm. Para o fabrico de módulos, as células tandem impõem janelas de laminação mais estreitas do que o silício isolado, porque a camada de perovskita é mais sensível à humidade e à temperatura do que o silício por baixo.

Fabricação de Módulos Fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introdução do Produto

As células tandem de perovskita/silício já atingiram 35% de eficiência. O problema é a estabilidade. Esses dispositivos ainda estão longe da vida útil de 25 anos que a comercialização exige, e a causa raiz está nas interfaces. A carga se acumula ali, e esse acúmulo desencadeia reações redox e migração de íons.

A camada de transporte de elétrons ALD-SnOx amplamente utilizada enfrenta um trade-off de espessura devido à sua alta resistividade. Muito espessa, e a resistência em série aumenta. Muito fina, e não consegue bloquear danos por sputtering ou difusão de íons. Para estudar isso, um testador MPPT de compósito de perovskita usando um LED de grau AAA simulador solar como fonte de luz de envelhecimento pode controlar a temperatura da célula de várias maneiras e gerenciar o ambiente ao redor, executando testes de estabilidade de longo prazo.

Este trabalho constrói uma bicamada SnOx/AZO através de um processo totalmente ALD. Um SnOx ultrafino mantém o alinhamento de bandas, enquanto uma camada condutora de AZO fornece um caminho de baixa resistência e atua como uma barreira densa. Isso divide a extração de carga e o bloqueio físico em duas tarefas separadas. Células de perovskita de banda larga de junção única com essa estrutura atingiram 23,47% de eficiência, e dispositivos tandem atingiram 33,25%. Após 1000 horas de iluminação contínua, ainda mantinham 96% de sua eficiência inicial, o que corrobora a estratégia de interface.

Parâmetros Técnicos

Especificações do Testador MPPT de Compósito de Perovskita

Vantagens Técnicas

Fabricação da Bicamada ALD e Desempenho Elétrico

Testes de junção única mostraram que o SnOx tem melhor desempenho com 150 ciclos. Aumentar a espessura elevou a resistência em série e reduziu o fator de preenchimento. Para aliviar o limite de resistividade, os autores adicionaram uma intercamada de AZO crescida por ALD. Duas pilhas foram comparadas: SnOx de 250 ciclos versus SnOx de 100 ciclos mais AZO de 400 ciclos.

Medições J-V mostraram que a combinação SnOx/AZO elevou o desempenho do dispositivo. A análise de níveis de energia descobriu que o mínimo da banda de condução desce de SnOx para AZO para IZO, formando um alinhamento de bandas em escada mais favorável que reduz a barreira de extração na interface. c-AFM mostrou que SnOx/AZO e AZO puro conduzem muito melhor que SnOx puro. KPFM mostrou um potencial de superfície mais uniforme e menor densidade de defeitos no filme de perovskita com SnOx/AZO. Espectroscopia de absorção transiente confirmou extração de portadores mais rápida com SnOx/AZO.

A Camada ALD Suprime a Degradação

Após 400 horas de envelhecimento a 85°C sob iluminação, as amostras de SnOx mostraram absorção mais forte de iodeto de chumbo no UV-vis, picos de difração de Pb⁰ metálico no XRD, e vazios de interface mais perda de volume no SEM de seção transversal. Nas amostras de SnOx/AZO, esses sinais de degradação foram muito mais fracos. TOF-SIMS mostrou forte penetração de Ag na camada de perovskita e difusão severa de I⁻ nos dispositivos SnOx, enquanto os dispositivos SnOx/AZO não mostraram difusão iônica óbvia.

Após 7 dias a 85% de UR, o filme coberto com SnOx desenvolveu uma fase δ amarela, mas o SnOx/AZO permaneceu preto. Medições de PLQY mostraram menor perda por recombinação não radiativa e maior retenção de PLQY após envelhecimento para SnOx/AZO. KPFM mostrou um grande salto na densidade de defeitos de superfície para a amostra de SnOx envelhecida, enquanto SnOx/AZO mal mudou.

Aplicação do Produto

Desempenho e Estabilidade de Célula de Junção Única

Em dispositivos de junção única com a estrutura ITO / NiOx / Me-4PACz / perovskita / C60 / camada ALD / Ag, o campeão SnOx/AZO atingiu 23,47% de eficiência, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², com histerese claramente reduzida. A densidade de corrente integrada por EQE foi de 21,62 mA/cm², acima dos 20,92 mA/cm² do dispositivo SnOx. A saída de potência estabilizada foi de 23,12%. A energia de Urbach ficou em 13,11 meV, abaixo dos 16,38 meV do dispositivo SnOx.

Em estabilidade, após 1100 horas de envelhecimento no escuro a 85°C o SnOx/AZO manteve acima de 90% de sua eficiência inicial, enquanto o SnOx caiu para 85% em 600 horas. Sob 85°C com iluminação, o SnOx/AZO manteve acima de 80% após 300 horas, enquanto o SnOx caiu abaixo de 60% após 200 horas. Em testes de MPPT, o SnOx/AZO manteve 96% após 2000 horas, enquanto o SnOx caiu para 80% após 700 horas.

Desempenho e Estabilidade de Célula Tandem

A bicamada ALD foi integrada em um dispositivo tandem de perovskita/TOPCon silício. HAADF-STEM mostrou uma bicamada contínua e densa com SnOx em torno de 10 nm e AZO em torno de 60 nm, sem pinholes ou delaminação. HR-TEM confirmou que o SnOx é amorfo, e EDS mostrou distribuição uniforme de Zn no AZO.

O dispositivo tandem campeão atingiu 33,25% de eficiência, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, com quase nenhuma histerese. EQE mostrou fotocorrentes da célula superior e inferior de 20,43 e 20,40 mA/cm², um bom casamento. A saída de potência estabilizada foi de 32,38%.

Após 1000 horas de envelhecimento térmico a 85°C o SnOx/AZO manteve acima de 90% de eficiência, enquanto o SnOx caiu abaixo de 90% em 400 horas. Em testes de calor úmido (duplo 85), o SnOx/AZO permaneceu acima de 92% após 400 horas, enquanto o SnOx caiu abaixo de 80% em 200 horas. Após 1000 horas de iluminação contínua, o SnOx/AZO manteve acima de 96%, enquanto o SnOx caiu abaixo de 80% em 300 horas.

Resumo do Mecanismo

A vantagem da bicamada SnOx/AZO se resume a duas coisas. A capa condutora de AZO acelera a extração de elétrons e reduz o acúmulo de carga na interface, o que suprime a degradação de interface impulsionada por reações. Ao mesmo tempo, a bicamada densa atua como uma barreira eficaz contra íons e umidade, impedindo a corrosão da prata induzida por iodeto e a migração de Ag⁺ para a perovskita. Extração de elétrons mais rápida combinada com bloqueio físico de íons proporciona um mecanismo de "desacoplamento funcional", de modo que os dois efeitos reforçam juntos a durabilidade do dispositivo.

Este estudo utiliza uma bicamada SnOx/AZO totalmente depositada por ALD para suprimir a degradação impulsionada por reações de interface em células tandem de perovskita/silício. A bicamada combina o bom alinhamento de bandas do SnOx com a alta condutividade e a função de barreira densa do AZO, reduzindo o acúmulo de carga e contendo a difusão de íons e a entrada de umidade. Dispositivos de junção única alcançaram 23,47% de eficiência, dispositivos tandem 33,25%, e ambos mantiveram acima de 96% da eficiência inicial após 1000 horas de MPPT. Isso mostra como a engenharia de interface é central para construir PV tandem de perovskita/silício de alta eficiência e estável, e aponta para um caminho real rumo a células que sejam simultaneamente eficientes e duráveis.

O testador MPPT de compósitos de perovskita, construído em torno de um simulador solar LED A+AA+ como fonte de luz de envelhecimento, dá forte suporte à pesquisa de células solares de perovskita. Como as células de perovskita são tão sensíveis à luz e à temperatura, seu ponto de máxima potência se desloca constantemente. O controlador MPPT rastreia e trava esse ponto em tempo real, de modo que o sistema sempre opera em sua melhor potência. Isso maximiza o rendimento energético e melhora a estabilidade e a economia de todo o sistema PV.

Referência: Suppressing Interfacial Reactions in Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells via an All-ALD SnOx/AZO Bilayer

Visão da Ooitech

O que se destaca aqui é a ideia de "desacoplamento funcional", deixando uma camada fina cuidar do alinhamento de bandas e outra cuidar do bloqueio, em vez de forçar um único filme de SnOx a fazer as duas funções e perder em uma delas. No lado da produção, a uniformidade da pilha ALD em um módulo de tamanho real é exatamente onde o controle de linha e a metrologia importam, e é o tipo de detalhe de processo com que nos obcecamos ao construir linhas de módulos. Se você quiser ver mais sobre como a fabricação de módulos de perovskita e tandem realmente se concretiza no chão de fábrica, o canal do Ooitech no YouTube (www.youtube.com/ooitech) vale a pena seguir.