Introdução do Produto

As células solares tandem monolíticas perovskita/silício são uma das rotas mais claras para superar o limite de eficiência dos dispositivos de junção única. A célula superior e a célula inferior são conectadas em série através de uma camada de interconexão de recombinação, e a qualidade dessa interface determina se os portadores podem ser transportados e recombinados suavemente. O problema reside na superfície texturizada de micro-pirâmides da célula inferior de heterojunção de silício (SHJ). As pirâmides têm cerca de 600 nm de altura, e nesse terreno a camada de recombinação sofre perda óptica parasitária enquanto a monocamada auto-montada (SAM) nunca se espalha uniformemente. Com o tempo, isso reduz o desempenho do dispositivo.

Este trabalho mediu camadas de interconexão de óxido de índio e estanho (ITO) de 2 a 30 nm de espessura e descobriu que uma camada ultrafina de 8 nm funciona melhor em duas frentes ao mesmo tempo: reduzindo a perda óptica e melhorando a uniformidade do potencial de superfície. Uma vez que a modificação NiOx e a funcionalização Poly-SAM foram empilhadas, a densidade de corrente de curto-circuito aumentou em 0,85 mA cm⁻² para atingir 20,82 mA cm⁻², a eficiência de conversão de potência atingiu 31,80% e, após 500 horas de rastreamento do ponto de máxima potência, o dispositivo ainda manteve 96% de sua eficiência inicial.

Método Experimental

A célula inferior SHJ usou wafers de silício tipo n, com 110 ± 10 µm de espessura, texturizados em ambos os lados com KOH em pirâmides de cerca de 600 nm de altura. Após limpeza RCA, PECVD depositou camadas de passivação e dopadas em sequência: a frente recebeu 8 nm de a-Si:H(i) intrínseco mais 15 nm de nc-SiOx:H(n) tipo n, a parte traseira recebeu 8 nm de a-Si:H(p) tipo p, então 110 nm de ITO foram depositados por sputtering e 700 nm de Ag evaporados na parte traseira. Na frente, seis espessuras de interconexão ITO foram depositadas separadamente: 2, 5, 8, 10, 20 e 30 nm, recozidas a 180°C e gravadas a laser.

A célula superior de perovskita seguiu esta rota. A célula inferior foi primeiro recozida e tratada com UV-ozônio, depois NiOx foi depositado por magnetron sputtering, seguido por outra etapa de recozimento e UV-ozônio. Dentro de uma glovebox de nitrogênio, Poly-SAM foi depositado por spin-coating (0,5 mg mL⁻¹, solvente metanol e clorobenzeno na proporção 1:1) e recozido a 100°C. A perovskita foi Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ com bandgap de 1,68 eV, depositada por spin-coating em duas etapas, com clorobenzeno gotejado como antissolvente durante a etapa de alta velocidade e cozida a 100°C por 20 minutos. A superfície foi ajustada com PDADI, depois C₆₀ foi evaporado termicamente, SnO₂ crescido por ALD, IZO de 45 nm depositado por sputtering, eletrodos de Ag evaporados e, finalmente, um filme antirreflexo de MgF₂ cobriu a pilha.

Vantagens Técnicas

Propriedades Optoeletrônicas da Camada de Interconexão ITO

(a) Rsh, Ne e µ versus espessura (n = 10); (b) absortância e refletância óptica da camada ITO; (c) função trabalho versus espessura; (d) deslocamento da função trabalho (ΔWF) antes e após tratamento com NiOx em diferentes espessuras; (e) esquema da distribuição de SAM no ITO modificado com NiOx; (f) mapas de potencial de superfície KPFM do ITO de interconexão de 2–30 nm; (g) mapas de potencial de superfície KPFM do ITO de interconexão de 8 nm antes e após funcionalização com NiOx e Poly-SAM.

Medidas de efeito Hall mostraram que a resistência de folha diminui à medida que a espessura do filme aumenta, como seria de esperar. A concentração de portadores manteve-se bastante estável entre 8 e 30 nm, em torno de 2,8 a 3,5 × 10²⁰ cm⁻³, mas abaixo de 8 nm começa a cair. A mobilidade diminuiu apenas ligeiramente na estreita janela de 2 a 8 nm, um sinal de que a integridade do filme ainda estava intacta. 8 nm está exatamente no ponto ideal onde a resistência de folha é suficientemente baixa e o desempenho elétrico não colapsou.

(a) Espectro XPS de alta resolução do O 1s ajustado por picos da camada ITO na superfície da célula inferior de c-Si texturizado. (b) Espectros XPS de alta resolução da camada ITO de 8 nm na célula inferior de c-Si texturizado antes e após modificação com NiOx. (c) Imagem SEM de seção transversal da camada ITO de 8 nm na célula inferior de c-Si texturizado. (d) Mapas elementares EDS correspondentes da região focada da amostra de ITO de 8 nm, com a legenda cor-elemento no canto superior direito.

Opticamente, a redução da espessura do ITO diminuiu tanto a refletância quanto a absortância acima de 450 nm, graças à interferência destrutiva e à absorção mais fraca por portadores livres.

• O UPS mostrou que a função trabalho aumentava à medida que a espessura diminuía, e após a modificação com NiOx e recozimento, o pico da função trabalho se deslocou para 8 nm.

• As varreduras de área do KPFM revelaram que o ITO com menos de 10 nm suprimiu todos os pontos de derivação locais, sendo que 8 nm proporcionou a melhor uniformidade.

• O XPS revelou um detalhe interessante: a superfície do ITO de 8 nm tinha uma densidade de hidroxila maior do que a de 20 nm, e essas hidroxilas formaram ligações de ponte In─O─Ni com o NiOx, permitindo que o NiOx se espalhasse de forma mais uniforme e aderisse mais firmemente. Após a modificação, o sinal de In desapareceu completamente, o que indica que a qualidade da camada de cobertura era excelente e estabeleceu uma boa base para a automontagem do SAM que se segue.

• O SEM e o EDS também confirmaram que o ITO de 8 nm proporcionou uma cobertura conforme sobre a textura.

Desempenho Fotovoltaico da Célula Tandem

(a) Variação de Jsc em células tandem de perovskita/silício; (b) variação de Voc; (c) variação de FF; (d) variação de PCE; (e) imagem de SEM da seção transversal da célula tandem em ITO; (f) padrão de XRD do filme de perovskita em ITO; (g) espectro de PL em estado estacionário do filme de perovskita em ITO; (h) curvas de PL em estado estacionário normalizadas; (i) espectros de decaimento TRPL transiente do filme de perovskita em ITO; (j) imagem de fotoluminescência da célula tandem, área ativa 0,928 cm².

Todas as seis espessuras de interconexão de ITO foram submetidas a testes J-V.

• Abaixo de 5 nm, Voc e FF caíram drasticamente. Voc não pôde ultrapassar 1,7 V e o PCE foi de apenas 21,68%, principalmente porque o filme já era descontínuo na textura piramidal.

• 8 nm foi a melhor resposta. O SEM de seção transversal mostrou grãos de perovskita maiores e mais densos no ITO ultrafino (abaixo de 10 nm), e o XRD confirmou melhor qualidade cristalina, embora a amostra de 5 nm tenha apresentado um pico de PbI₂, um sinal de que a degradação já havia começado. A intensidade de PL em estado estacionário aumentou de 30 nm até 8 nm e depois caiu novamente, então 8 nm estava exatamente no pico, correspondendo à menor densidade de defeitos.

• O pico característico de PL normalizado não se deslocou, o que significa que a natureza da recombinação não radiativa na interface permaneceu a mesma. Os tempos de vida dos portadores TRPL também foram mais longos em 8 nm. Esses resultados remontam ao dipolo líquido mais forte e à função trabalho mais uniforme que o Poly-SAM proporciona, elevando Voc e FF juntos. A imagem de PL também expôs não uniformidade sub-mícron dentro da subcélula de perovskita, mas a camada de ITO ultrafina de alta resistividade tem alta resistividade lateral, então o alcance do desvio local foi efetivamente contido e nunca arrastou todo o dispositivo para baixo.

Melhoria da Densidade de Corrente

(a) Curvas EQE das subcélulas de perovskita e silício sob a camada de interconexão de ITO de 8 nm; (b) Curvas EQE das células tandem inicial e otimizada.

A camada frontal de IZO foi avaliada pela figura de mérito Aw × Rsheet⁻¹, e 45 nm se mostrou o melhor. Reduzir a espessura do ITO de interconexão de 20 nm para 10 nm e depois para 8 nm elevou a Jsc média de 19,78 para 19,96 e depois para 20,55 mA cm⁻². As densidades de corrente integradas por EQE das subcélulas de perovskita e silício foram de 20,64 e 20,51 mA cm⁻², respectivamente, em linha com os dados J-V. Em comparação com 20 nm de ITO, 8 nm proporcionou à subcélula de perovskita um ganho extra de 0,06 mA cm⁻² e à subcélula de silício um ganho extra de 0,47, com a contribuição no infravermelho próximo da célula inferior de silício sendo a mais beneficiada.

Aplicação do Produto

Desempenho e Estabilidade do Dispositivo

(a) Estrutura esquemática e fotografia da célula solar tandem perovskita/silício; (b) imagem de SEM da seção transversal da célula tandem; (c) curvas J-V das subcélulas de junção única de perovskita e silício; (d) curva J-V representativa da célula de alto desempenho; (e) variação de Rs em células tandem perovskita/silício construídas com camadas de interconexão de ITO de 30 nm a 2 nm; (f) resultados do teste MPPT da célula tandem encapsulada sob iluminação de 1 sol.

Uma vez que a espessura da interconexão de ITO foi ajustada, a PCE média dos dispositivos tandem subiu de 28,64% para 30,67%. O ITO de 2 nm apresentou uma resistência série Rs tão alta quanto 41,26 Ω, então a conexão em série estava essencialmente quebrada. A Rs de 8 nm foi muito menor, a impedância interna diminuiu e a perda de tensão próximo ao ponto de potência máxima foi reduzida. Em termos de estabilidade, a célula tandem com ITO de 8 nm manteve 96% de sua PCE inicial após 500 horas de MPPT, enquanto a de 20 nm reteve apenas 90%, colocando-a entre as mais estáveis da família de interconexão TCO/SAM. Por que tão estável? A cobertura de poli-SAM é alta, e a cristalização da perovskita melhora junto com ela.

As regiões cobertas por SAM têm baixa energia superficial, e os grupos de ácido fosfônico coordenam com Pb²⁺ e FA⁺, guiando a perovskita a crescer lentamente e de forma ordenada, resultando em grãos grandes. Nas regiões de ITO nu, não há esse efeito de molde, a nucleação ocorre rapidamente e de forma desordenada, e os grãos acabam pequenos com muitos contornos de grão. Além disso, o Poly-SAM passiva as ligações insaturadas e vacâncias de haleto na interface, a migração de haletos é suprimida e a degradação diminui. O potencial superficial uniforme que o próprio ITO ultrafino proporciona também ajuda, e com vários fatores se combinando, a vida útil do dispositivo aumenta.

O teste de estabilidade MPPT aqui depende de um simulador solar LED de grau 3A+ como fonte de luz de envelhecimento, que pode controlar a temperatura da célula e a atmosfera circundante de várias maneiras para realizar testes de estabilidade de longo prazo.

Conclusão e Perspectivas

8 nm é a espessura ideal de interconexão de ITO para células tandem de perovskita/silício. Essa espessura melhora a qualidade cristalina da perovskita e reduz a absorção parasitária. Após a modificação com NiOx e funcionalização com Poly-SAM, o potencial superficial se torna mais uniforme e a mudança na função trabalho mais pronunciada. A superfície de ITO de 8 nm carrega mais hidroxilas, o NiOx se espalha uniformemente, o SAM se compacta densamente, e a cobertura conforme sobre a textura foi verificada por SEM e EDS. Em comparação com o ITO convencional de 20 nm, o dispositivo otimizado alcançou uma eficiência recorde de 31,80%, com Jsc aumentado em 0,85 mA cm⁻² e 96% da eficiência inicial mantida após 500 horas de MPPT.

Olhando para o futuro, ainda há muito a melhorar. A textura traseira e o refletor óptico podem ser refinados para fortalecer a captura de luz na célula inferior de silício, aumentar sua corrente e garantir o casamento de corrente. FF e Voc continuam sendo os gargalos que limitam a eficiência geral, portanto, estratégias de passivação de contato precisam ser aprofundadas. Arquiteturas de interconexão alternativas, como junções túnel baseadas em silício, também valem a pena ser testadas. Quando se trata de escalar para produção, a espessura do TCO e o design da grade de metalização devem ser ajustados em conjunto, para que em grandes áreas o sombreamento não seja muito pesado e a condução lateral não sofra. E com uma camada mais fina, o uso de índio diminui, trazendo benefícios de sustentabilidade.

Visão da Ooitech

O que se destaca aqui é que alguns nanômetros de ITO podem influenciar tanto a óptica quanto a cristalização naquela textura piramidal de 600 nm, e esse mesmo problema de cobertura conforme é exatamente o que aparece quando as linhas tandem passam de coupons de laboratório para módulos de tamanho real. No chão de fábrica, as etapas de tabber-stringer, layup e laminação precisam respeitar essas interfaces frágeis de interconexão e SAM, e é aí que equipamentos de linha de módulos uniformes e bem ajustados mostram seu valor. Se você quiser ver como esses processos se parecem em escala real de fábrica, o canal do YouTube da Ooitech em www.youtube.com/ooitech vale a pena seguir.