Avance de eficiencia certificada del 26.2%

Respuesta rápida: Un módulo solar tándem totalmente de perovskita ha alcanzado una eficiencia certificada del 26,2%, un resultado que importa porque la perovskita totalmente de perovskita evita por completo la célula inferior de silicio. El módulo demostró una tensión de circuito abierto de alrededor de 2,182 V, que es casi el doble de una célula de silicio de una sola unión y es la característica distintiva de dos uniones en serie. Las pruebas de certificación incluyeron exposición a humedad-calor a 85 °C y requisitos mecánicos IEC 61215, con una geometría de prueba de clase de 5 mm a 30 mm. El tándem de perovskita históricamente ha fallado en estabilidad más que en eficiencia, y eso es lo que hace que un resultado certificado sea diferente de un récord de laboratorio. La brecha restante para la producción es el área: la mayoría de los récords son en módulos pequeños, y escalar un recubrimiento de perovskita a un módulo de tamaño completo sin pinholes y pérdida de uniformidad es un problema de ingeniería aparte.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introducción

Los módulos solares tándem de perovskita completa son ampliamente considerados como un fuerte contendiente para la tecnología fotovoltaica de próxima generación gracias a su alta eficiencia y potencial de bajo costo. Sin embargo, la comercialización en gran área se ha visto seriamente obstaculizada. Mientras que los dispositivos de área pequeña ya han superado el 30% de eficiencia, los módulos de gran área (≥20 cm²) han estado estancados durante mucho tiempo alrededor del 24.5%. Los principales culpables son la fuerte absorción parásita en el infrarrojo cercano y la inestabilidad térmica interfacial de la estructura Au/PEDOT:PSS en las uniones de recombinación de túnel (TRJ) convencionales basadas en oro, junto con el transporte de carga degradado en películas de perovskita Pb-Sn de gran área causado por la cristalización no uniforme durante el recubrimiento con cuchilla.

Este estudio desarrolla una TRJ procesada en solución basada en nanocristales de In₂O₃ modificados en superficie. Al ajustar la morfología de los nanocristales y la química de la superficie, el equipo logró alta transparencia óptica, interfaces suaves y una alineación ideal de niveles de energía. Al mismo tiempo, se introdujeron aditivos de tipo ácido fosfónico en el precursor de perovskita Pb-Sn para mejorar el contacto electrónico con la capa de recombinación de In₂O₃, mejorar la extracción de huecos y ajustar la cinética de cristalización para aliviar la tensión residual en películas de gran área. Esta estrategia combinada aumenta simultáneamente la eficiencia de recombinación de portadores en la unión, la extracción de carga y la uniformidad de películas de gran área, logrando finalmente una eficiencia certificada por JET del 26.2% en un área de apertura de 65 cm² (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²), un hito clave en el camino hacia la ampliación de la fotovoltaica tándem de perovskita completa.

Diseño y ventajas de la nueva TRJ

El trabajo propone una alternativa procesada en solución: una nueva TRJ (Tipo III) construida a partir de nanocristales de óxido de indio modificados en superficie (nanocristales de In₂O₃). Se compara sistemáticamente con la estructura convencional Tipo I de Au/PEDOT:PSS y una estructura Tipo II basada en nanocristales de ITO comerciales.

Características de estructura e interfaz

Los NC de In₂O₃ auto-sintetizados tienen un tamaño de partícula mucho menor que los NC de ITO comerciales, formando una interfaz enterrada más suave y reduciendo efectivamente la densidad de defectos de contacto. Las pruebas eléctricas muestran que la estructura Tipo III exhibe un comportamiento de contacto óhmico ideal sin barrera de transporte de carga.

Estabilidad óptica y térmica

La caracterización óptica muestra que PEDOT:PSS en Tipo I causa una severa pérdida de absorción parásita, mientras que la película de NC de In₂O₃ es altamente transparente ópticamente. Bajo envejecimiento térmico acelerado a 85°C, la eficiencia del módulo Tipo I cayó a menos de la mitad de su valor inicial dentro de 50 horas, mientras que los Tipos II y III basados en NC retuvieron aproximadamente el 75% de la eficiencia inicial después de 200 horas. En un sustrato de 10×10 cm², las películas de NC recubiertas con cuchilla mostraron una absorción óptica mucho más uniforme que las películas de Au evaporadas térmicamente delgadas, demostrando completamente la ventaja inherente de los nanocristales procesados en solución en la fabricación escalable.

Optimización de la fabricación de películas de perovskita de gran área

Con la pérdida óptica y la inestabilidad del TRJ resueltas, la fabricación uniforme de películas de perovskita Pb-Sn de gran área se convirtió en la siguiente barrera técnica. Los sistemas de solventes convencionales DMF/DMSO tienen altos puntos de ebullición y volatilidad lenta, por lo que su cinética de nucleación se retrasa durante el recubrimiento con cuchilla a alta velocidad, lo que dificulta la formación de películas uniformes en sustratos grandes.

Para resolver esto, el equipo desarrolló un sistema de solventes binario basado en 2-metoxietanol (2-Me) y tetrahidrofurano (THF). Con su bajo punto de ebullición y alta presión de vapor, este sistema alcanza rápidamente la sobresaturación crítica y acelera notablemente la nucleación. Usándolo, la velocidad de recubrimiento con cuchilla de perovskita Pb-Sn se elevó de 5 mm/s en el sistema DMF tradicional hasta 30 mm/s, entregando una intensidad de fotoluminiscencia (PL) altamente uniforme y una excelente consistencia del dispositivo en sustratos de 10×10 cm² y más grandes. Esto superó con éxito el desafío de la cinética de cristalización del recubrimiento de gran área y logró una validación preliminar de eficiencia del 17.5% sobre un área de apertura de 65 cm².

Ingeniería de ligandos de superficie y alineación de niveles de energía

Después de eliminar PEDOT:PSS, las pérdidas ópticas disminuyeron, pero el voltaje de circuito abierto (VOC) y el factor de llenado (FF) disminuyeron, atribuido a mayores barreras de transporte interfacial y recombinación no radiativa entre la perovskita y la capa de NC. Para abordar esto, el estudio implementó una estrategia de optimización sinérgica dual:

Ingeniería de ligandos de superficie para ajustar los niveles de energía

Mediante el intercambio de ligandos, se utilizaron MMES y MMPA para modificar la superficie de los NCs de In₂O₃. La espectroscopía de fotoelectrones ultravioleta (UPS) mostró que los NCs de In₂O₃ modificados con MMPA logran una curvatura de banda interfacial favorable con la película de perovskita objetivo (curvatura ascendente de aproximadamente 50 meV), promoviendo significativamente la extracción de huecos, mientras que la modificación con OAm o MMES causó curvatura descendente y una barrera de transporte. Las pruebas de corriente limitada por carga espacial (SCLC) descartaron cualquier interferencia de los ligandos en la movilidad en sí, confirmando que la ganancia de rendimiento se debe principalmente a la alineación optimizada de los niveles de energía.

Dopaje en masa con material selectivo de huecos (HSM) de ácido fosfónico

El equipo dopó HSMs de ácido fosfónico como MeO-2PACz directamente en el precursor de perovskita Pb-Sn (optimizado al 0,2 mol%) en lugar de limitarlos a la modificación de la interfaz. Esta estrategia de dopaje en masa evita el problema de la cobertura desigual de SAM en áreas grandes. UPS mostró que después del dopaje con HSM, el trabajo de salida de la perovskita cambió de 5,04 eV a 4,81 eV, el máximo de la banda de valencia se movió hacia arriba y el carácter tipo n se debilitó, coincidiendo mejor con los niveles de energía de los NCs de In₂O₃. La celda de unión simple Pb-Sn sin HTL resultante alcanzó una eficiencia del 23%, mientras que un dispositivo recubierto con cuchilla que utiliza NCs de In₂O₃-MMPA como capa de transporte de huecos (HTL) logró una eficiencia del 24,0% en escaneo inverso con una JSC de hasta 33,8 mA cm⁻².

Múltiples roles del HSM en la película de perovskita

El papel del HSM va mucho más allá del transporte de carga: influye profundamente en la cristalización de la película y en la pasivación de defectos:

Control de la cristalización y supresión de defectos

La microscopía electrónica de barrido (SEM) mostró que después del dopaje con HSM, las impurezas dendríticas que originalmente cortaban los límites de grano en la película de Pb-Sn desaparecieron, el tamaño de grano creció notablemente y los límites de grano adquirieron una apariencia "fusionada". GIWAXS y XRD confirmaron que el HSM suprimió eficazmente la formación de la fase de impureza PbI₂. La RMN de ¹H en estado líquido reveló además que el HSM, mediante desprotonación preferencial, consume grupos fosfónicos ácidos libres, evitando así su desprotonación ácida de los cationes FA⁺ y estabilizando la química del precursor.

Mejora de la dinámica de portadores

La espectroscopía de absorción transitoria (TAS) mostró que la recombinación no radiativa asistida por defectos se suprimió notablemente después del dopaje con HSM. La intensidad de PL en estado estacionario aumentó bruscamente, el tiempo de vida promedio de PL se extendió de 1042 ns a 1889 ns, con una pasivación especialmente fuerte en la interfaz inferior, reduciendo efectivamente la captura de carga en la interfaz enterrada. La espectroscopía OPTP mostró que la movilidad de portadores de la película objetivo aumentó de 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ a 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ y la longitud de difusión creció de 2.65 μm a 4.78 μm, confirmando una mejora integral en la calidad de la película en volumen.

Rendimiento y estabilidad del módulo de gran área

Basándose en estas estrategias sinérgicas, el equipo fabricó un módulo tándem de perovskita completa con un área de apertura de 65 cm² (14 subceldas en serie). El módulo campeón que utiliza el TRJ Tipo III (In₂O₃-MMPA) alcanzó una eficiencia del 26.6% en pruebas de laboratorio (escaneo inverso), con VOC de 30.4 V, JSC de 1.12 mA cm⁻² y FF de 78.2%. Su eficiencia estabilizada certificada por JET alcanzó el 26.2%, superando claramente al módulo de control que utiliza el TRJ Tipo I convencional (24.8%). Después de la optimización de la zona muerta, el factor de llenado geométrico alcanzó el 96.5%, dando una eficiencia equivalente de área activa de hasta 27.6%. El mapeo espacial EQE mostró que, en 16 posiciones diferentes, las densidades de corriente integradas de las subceldas superior e inferior promediaron 16.3 y 16.2 mA cm⁻² respectivamente, coincidiendo estrechamente con los resultados de J-V y ambas superando el cuello de botella del módulo de sub-15 mA cm⁻² reportado anteriormente.

En cuanto a la fiabilidad, siguiendo el estándar IEC 61215:2021, el módulo Tipo III encapsulado alcanzó una vida útil T90 (conservando el 90% de la eficiencia inicial) de 771 horas bajo seguimiento continuo de MPP de 1 sol, y aún mantuvo el 82.5% de eficiencia después de 1000 horas. En la exigente prueba de calor húmedo de 85°C/85% HR (ISOS-D-3), el módulo Tipo III alcanzó una vida útil promedio T84 de 1000 horas, mientras que el módulo Tipo I ya había caído por debajo del 40% de eficiencia; en la prueba de ciclos térmicos de -40°C a 85°C (ISOS-T-3), el módulo Tipo III conservó el 93% de la eficiencia inicial después de 200 ciclos. Todos los experimentos de envejecimiento acelerado confirmaron que la estabilidad excepcional del Tipo III proviene de la eliminación completa de los factores de inestabilidad desencadenados por PEDOT:PSS.

Mediante uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie y una ingeniería sinérgica de volumen/interfaz del HSM, este trabajo logró con éxito un módulo tándem de perovskita totalmente certificado con una eficiencia del 26,2% en un área de apertura de 65 cm², logrando avances integrales en tamaño de módulo, eficiencia y estabilidad operativa. El trabajo demuestra firmemente el potencial de comercialización de la tecnología fotovoltaica tándem de perovskita totalmente. De cara al futuro, ampliar el área del módulo más allá de 800 cm² requerirá una optimización sinérgica de procesos de deposición como el recubrimiento por ranura junto con métodos como la cristalización asistida por vacío, para garantizar una fabricación uniforme y de alta calidad de subceldas de banda ancha y estrecha de gran área.

Equipos de Referencia y Pruebas

Un probador MPPT de perovskita compuesta que utiliza un LED de grado A+AA+ simulador solar como fuente de envejecimiento proporciona un fuerte apoyo a la investigación de células solares de perovskita mediante tecnología avanzada y diseño multifuncional. Estos instrumentos se utilizan principalmente para pruebas de estabilidad de células de perovskita de unión simple y tándem terminadas. Debido a que las características de salida de las células de perovskita se ven fácilmente afectadas por factores ambientales como la luz y la temperatura, el punto de máxima potencia fluctúa con frecuencia. Un controlador MPPT rastrea y bloquea el punto de máxima potencia en tiempo real, asegurando que el sistema siempre opere a una salida de potencia óptima.

Referencia: Recombinación adaptada por nanocristales para módulos tándem de perovskita totalmente

La opinión de Ooitech

Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie junto con la ingeniería de volumen/interfaz del HSM han llevado los módulos tándem de perovskita totalmente de gran área a una eficiencia certificada del 26,2%, acercando esta tecnología un paso decisivo a la comercialización.