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Avance de eficiencia certificada del 26,2%
Índice
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 un voltaje de circuito abierto de alrededor de 2,182 V, que es casi el doble de una célula de silicio de unión única y es la firma de dos uniones en serie. Las pruebas de certificación incluyeron exposición a calor húmedo a 85 °C y requisitos mecánicos IEC 61215, con una geometría de prueba de clase de 5 mm a 30 mm. La perovskita tándem 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 hacia 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 totalmente de perovskita son ampliamente considerados como un fuerte contendiente para la tecnología fotovoltaica de próxima generación gracias a su alta eficiencia y su potencial de bajo costo. Sin embargo, la comercialización de gran superficie se ha visto seriamente frenada. Mientras que los dispositivos de pequeña superficie ya han superado el 30% de eficiencia, los módulos de gran superficie (≥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 de Pb-Sn de gran superficie causado por la cristalización no uniforme durante el recubrimiento por cuchilla.
Este estudio desarrolla una TRJ procesada en solución construida sobre nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie. Al ajustar la morfología de los nanocristales y la química de superficie, el equipo logró una alta transparencia óptica, interfaces suaves y una alineación ideal de los niveles de energía. Al mismo tiempo, se introdujeron aditivos de tipo ácido fosfónico en el precursor de perovskita de 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 superficie. Esta estrategia combinada impulsa simultáneamente la eficiencia de recombinación de portadores en la unión, la extracción de carga y la uniformidad de la película de gran superficie, entregando finalmente una eficiencia del 26,2% certificada por JET sobre 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 el escalado de la fotovoltaica tándem totalmente de perovskita.
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 con ingeniería de superficie (NCs 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.
Estructura y características de la interfaz
Los NCs de In₂O₃ autosintetizados tienen un tamaño de partícula mucho menor que los NCs 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 el PEDOT:PSS en el Tipo I causa una severa pérdida por absorción parásita, mientras que la película de NCs 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 en 50 horas, mientras que los Tipos II y III basados en NCs retuvieron alrededor del 75% de la eficiencia inicial después de 200 horas. Sobre un sustrato de 10×10 cm², las películas de NCs recubiertas por cuchilla mostraron una absorción óptica mucho más uniforme que las películas delgadas de Au evaporadas térmicamente, demostrando plenamente la ventaja inherente de los nanocristales procesados en solución en la fabricación escalable.
Optimización de la fabricación de películas de perovskita de gran superficie
Con la pérdida óptica y la inestabilidad de la TRJ resueltas, la fabricación uniforme de películas de perovskita de Pb-Sn de gran superficie se convirtió en la siguiente barrera técnica. Los sistemas de disolventes convencionales de DMF/DMSO tienen puntos de ebullición altos y volatilidad lenta, por lo que su cinética de nucleación se retrasa durante el recubrimiento por cuchilla a alta velocidad, dificultando la formación de películas uniformes en sustratos grandes.
Para resolver esto, el equipo desarrolló un sistema de disolventes 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 por cuchilla de la perovskita de Pb-Sn se elevó desde 5 mm/s en el sistema tradicional de DMF 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 mayores. Esto resolvió con éxito el desafío de la cinética de cristalización del recubrimiento de gran superficie y logró una validación preliminar de eficiencia del 17,5% sobre un área de apertura de 65 cm².
Ingeniería de ligandos de superficie y coincidencia de niveles de energía
Después de eliminar el PEDOT:PSS, las pérdidas ópticas disminuyeron, pero el voltaje de circuito abierto (VOC) y el factor de llenado (FF) disminuyeron, lo que se atribuye al aumento de las barreras de transporte interfacial y la recombinación no radiativa entre la perovskita y la capa de NCs. 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 usaron 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 flexión de banda interfacial favorable con la película de perovskita objetivo (flexión hacia arriba de aproximadamente 50 meV), promoviendo significativamente la extracción de huecos, mientras que la modificación con OAm o MMES causó una flexión hacia abajo y una barrera de transporte. Las pruebas de corriente limitada por carga espacial (SCLC) descartaron cualquier interferencia de los ligandos sobre la movilidad en sí, confirmando que la ganancia de rendimiento proviene principalmente de la alineación optimizada de los niveles de energía.
Dopaje en volumen con material de ácido fosfónico selectivo de huecos (HSM)
El equipo dopó HSMs de ácido fosfónico como MeO-2PACz directamente en el precursor de perovskita de Pb-Sn (optimizado al 0,2 % en moles) en lugar de limitarlos a la modificación de la interfaz. Esta estrategia de dopaje en volumen evita el problema de la cobertura desigual de SAM sobre grandes áreas. La UPS mostró que tras el dopaje con HSM la función de trabajo de la perovskita se desplazó de 5,04 eV a 4,81 eV, el máximo de la banda de valencia se elevó y el carácter de tipo n se debilitó, ajustándose mejor a los niveles de energía de las NCs de In₂O₃. La célula de Pb-Sn de unión simple sin HTL resultante alcanzó una eficiencia del 23 %, mientras que un dispositivo recubierto por cuchilla que utilizó NCs de In₂O₃-MMPA como capa de transporte de huecos (HTL) logró una eficiencia de escaneo inverso del 24,0 % con una JSC de hasta 33,8 mA cm⁻².
Múltiples funciones 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 la pasivación de defectos:
Control de la cristalización y supresión de defectos
La microscopía electrónica de barrido (SEM) mostró que tras el dopaje con HSM desaparecieron las impurezas dendríticas que originalmente atravesaban los límites de grano en la película de Pb-Sn, el tamaño de grano creció notablemente y los límites de grano adoptaron una apariencia "fusionada". GIWAXS y XRD confirmaron que el HSM suprimió eficazmente la formación de la fase de impureza de 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.
Dinámica de portadores mejorada
La espectroscopía de absorción transitoria (TAS) mostró que la recombinación no radiativa asistida por defectos se suprimió notablemente tras el 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 eficazmente 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 de módulos de gran área
Sobre la base de estas estrategias sinérgicas, el equipo fabricó un módulo tándem totalmente de perovskita con un área de apertura de 65 cm² (14 subcélulas en serie). El módulo campeón que utilizó el TRJ Tipo III (In₂O₃-MMPA) alcanzó una eficiencia probada en laboratorio del 26,6 % (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 utilizó el TRJ Tipo I convencional (24,8 %). Tras la optimización de la zona muerta, el factor de llenado geométrico alcanzó el 96,5 %, dando una eficiencia equivalente en área activa de hasta el 27,6 %. El mapeo espacial de EQE mostró que, en 16 posiciones diferentes, las densidades de corriente integradas de las subcélulas superior e inferior promediaron 16,3 y 16,2 mA cm⁻² respectivamente, coincidiendo estrechamente con los resultados de J-V y superando ambas el cuello de botella previamente reportado de módulos por debajo de 15 mA cm⁻².
En términos de fiabilidad, siguiendo el estándar IEC 61215:2021, el módulo Tipo III encapsulado alcanzó una vida útil T90 (reteniendo el 90 % de la eficiencia inicial) de 771 horas bajo seguimiento continuo del MPP a 1 sol, y aún mantuvo el 82,5 % de eficiencia tras 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 T84 promedio de 1000 horas, mientras que el módulo Tipo I ya había caído por debajo del 40 % de eficiencia; en la prueba de ciclado térmico de -40 °C a 85 °C (ISOS-T-3), el módulo Tipo III retuvo el 93 % de la eficiencia inicial tras 200 ciclos. Todos los experimentos de envejecimiento acelerado confirmaron que la excepcional estabilidad del Tipo III proviene de eliminar por completo los factores de inestabilidad desencadenados por el PEDOT:PSS.
Mediante uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie y una ingeniería sinérgica de HSM en volumen/interfaz, este trabajo logró con éxito un módulo solar tándem totalmente de perovskita con eficiencia certificada del 26,2 % sobre un área de apertura de 65 cm², ofreciendo avances integrales en tamaño de módulo, eficiencia y estabilidad operativa. El trabajo demuestra firmemente el potencial de comercialización de la tecnología fotovoltaica tándem totalmente de perovskita. De cara al futuro, llevar 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 subcélulas de gran área de banda ancha y banda estrecha.
Referencia y equipo de prueba
Un probador MPPT de perovskita compuesto que utiliza un simulador solar LED de grado A+AA+ como fuente de envejecimiento proporciona un fuerte apoyo para la investigación de células solares de perovskita mediante tecnología avanzada y diseño multifuncional. Dichos 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 fija el punto de máxima potencia en tiempo real, asegurando que el sistema siempre opere a la salida de potencia óptima. Referencia: Uniones de recombinación adaptadas con nanocristales para módulos solares tándem totalmente de perovskita
La perspectiva de Ooitech
Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie combinadas con la ingeniería de HSM en volumen/interfaz han llevado los módulos tándem totalmente de perovskita de gran área a una eficiencia certificada del 26,2 %, acercando decisivamente esta tecnología a la comercialización.
Jun
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Lecturas adicionales y datos de contexto
Material de referencia público sobre este tema, publicado por las organizaciones que mantienen la hoja de ruta tecnológica y los datos de mercado del sector:
