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Respuesta rápida: Una célula tándem de perovskita y silicio ha alcanzado una eficiencia del 33,25% mientras retenía el 96% de su punto de máxima potencia tras 1000 horas de pruebas. Esa combinación es lo clave: los récords de eficiencia en tándem ya no son la limitación, la estabilidad sí lo es. La célula apila una unión superior de perovskita sobre una unión inferior de silicio para que cada una absorba la parte del espectro que mejor convierte, lo que impulsa la eficiencia muy por encima del techo de aproximadamente el 27% de una célula de silicio de unión simple. El resultado de estabilidad implicó exposición a calor húmedo a 85 °C, y las mediciones utilizaron rangos espectrales en torno a 400 nm, 750 nm y 1150 nm. Para la fabricación de módulos, las células tándem imponen ventanas de laminación más estrictas que el silicio solo, porque la capa de perovskita es más sensible a la humedad y la temperatura que el silicio que tiene debajo.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introducción del producto

Las células tándem de perovskita/silicio ya han alcanzado una eficiencia del 35%. El problema es la estabilidad. Estos dispositivos aún están lejos de la vida útil de 25 años que necesita la comercialización, y la causa raíz está en las interfaces. La carga se acumula allí, y esa acumulación desencadena reacciones redox y migración de iones.

La capa de transporte de electrones ALD-SnOx ampliamente utilizada se enfrenta a un compromiso de grosor debido a su alta resistividad. Demasiado gruesa, y la resistencia en serie aumenta. Demasiado delgada, y no puede bloquear el daño por pulverización catódica ni la difusión de iones. Para estudiar esto, un probador MPPT de compuesto de perovskita que utiliza un LED de grado AAA 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. como fuente de luz de envejecimiento puede controlar la temperatura de la célula de varias maneras y gestionar el entorno circundante, realizando pruebas de estabilidad a largo plazo.

Este trabajo construye una bicapa SnOx/AZO mediante un proceso totalmente ALD. Un SnOx ultradelgado mantiene la alineación de bandas, mientras que una capa conductora de AZO proporciona una ruta de baja resistencia y actúa como barrera densa. Eso divide la extracción de carga y el bloqueo físico en dos tareas separadas. Las células de perovskita de banda ancha de unión simple con esta estructura alcanzaron una eficiencia del 23,47%, y los dispositivos tándem alcanzaron el 33,25%. Tras 1000 horas de iluminación continua, aún mantenían el 96% de su eficiencia inicial, lo que respalda la estrategia de interfaz.

Parámetros técnicos

Especificaciones del probador MPPT de compuesto de perovskita

Ventajas técnicas

Fabricación de bicapa ALD y rendimiento eléctrico

Las pruebas de unión simple mostraron que el SnOx rinde mejor a 150 ciclos. Aumentar el grosor elevó la resistencia en serie y redujo el factor de llenado. Para aliviar el límite de resistividad, los autores añadieron una intercapa de AZO cultivada por ALD. Se compararon dos pilas: SnOx de 250 ciclos frente a SnOx de 100 ciclos más AZO de 400 ciclos.

Las mediciones J-V mostraron que la combinación SnOx/AZO elevó el rendimiento del dispositivo. El análisis de niveles de energía encontró que el mínimo de la banda de conducción desciende de SnOx a AZO a IZO, formando una alineación de bandas en escalera más favorable que reduce la barrera de extracción en la interfaz. La c-AFM mostró que SnOx/AZO y AZO puro conducen mucho mejor que SnOx puro. La KPFM mostró un potencial superficial más uniforme y una menor densidad de defectos en la película de perovskita con SnOx/AZO. La espectroscopia de absorción transitoria confirmó una extracción de portadores más rápida con SnOx/AZO.

La capa ALD suprime la degradación

Tras 400 horas de envejecimiento a 85°C bajo iluminación, las muestras de SnOx mostraron una absorción más fuerte de yoduro de plomo en UV-vis, picos de difracción de Pb⁰ metálico en XRD, y huecos en la interfaz más pérdida en volumen en la sección transversal SEM. En las muestras de SnOx/AZO, estos signos de degradación fueron mucho más débiles. TOF-SIMS mostró una fuerte penetración de Ag en la capa de perovskita y una severa difusión de I⁻ en los dispositivos de SnOx, mientras que los dispositivos de SnOx/AZO no mostraron difusión iónica evidente.

Tras 7 días a 85% de HR, la película cubierta con SnOx desarrolló una fase δ amarilla, pero SnOx/AZO permaneció negra. Las mediciones de PLQY mostraron una menor pérdida por recombinación no radiativa y una mayor retención de PLQY tras el envejecimiento para SnOx/AZO. La KPFM mostró un gran salto en la densidad de defectos superficiales para la muestra de SnOx envejecida, mientras que SnOx/AZO apenas cambió.

Aplicación del producto

Rendimiento y estabilidad de células de unión simple

En dispositivos de unión simple con la estructura ITO / NiOx / Me-4PACz / perovskita / C60 / capa ALD / Ag, el campeón SnOx/AZO alcanzó una eficiencia del 23,47%, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², con histéresis claramente reducida. La densidad de corriente integrada por EQE fue de 21,62 mA/cm², por encima de los 20,92 mA/cm² del dispositivo de SnOx. La salida de potencia estabilizada fue del 23,12%. La energía de Urbach resultó ser de 13,11 meV, por debajo de los 16,38 meV del dispositivo de SnOx.

En cuanto a la estabilidad, tras 1100 horas de envejecimiento en oscuridad a 85°C, el SnOx/AZO mantuvo más del 90% de su eficiencia inicial, mientras que el SnOx bajó al 85% a las 600 horas. Bajo 85°C con iluminación, SnOx/AZO mantuvo más del 80% tras 300 horas, mientras que SnOx cayó por debajo del 60% tras 200 horas. En las pruebas de MPPT, SnOx/AZO mantuvo el 96% tras 2000 horas, mientras que SnOx cayó al 80% tras 700 horas.

Rendimiento y estabilidad de células tándem

La bicapa ALD se integró en un dispositivo tándem de perovskita/TOPCon silicio. HAADF-STEM mostró una bicapa continua y densa con SnOx de aproximadamente 10 nm y AZO de aproximadamente 60 nm, sin poros ni delaminación. HR-TEM confirmó que el SnOx es amorfo, y EDS mostró una distribución uniforme de Zn en el AZO.

El dispositivo tándem campeón alcanzó una eficiencia del 33,25%, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, con casi nada de histéresis. La EQE mostró fotocorrientes de la célula superior e inferior de 20,43 y 20,40 mA/cm², una buena coincidencia. La salida de potencia estabilizada fue del 32,38%.

Tras 1000 horas de envejecimiento térmico a 85°C, el SnOx/AZO mantuvo más del 90% de eficiencia, mientras que el SnOx cayó por debajo del 90% en 400 horas. En las pruebas de calor húmedo (doble 85), SnOx/AZO se mantuvo por encima del 92% tras 400 horas, mientras que SnOx cayó por debajo del 80% en 200 horas. Tras 1000 horas de iluminación continua, SnOx/AZO mantuvo más del 96%, mientras que SnOx cayó por debajo del 80% en 300 horas.

Resumen del mecanismo

La ventaja de la bicapa SnOx/AZO se reduce a dos cosas. La capa conductora de AZO acelera la extracción de electrones y reduce la acumulación de carga en la interfaz, lo que suprime la degradación de la interfaz impulsada por la reacción. Al mismo tiempo, la bicapa densa actúa como una barrera eficaz contra iones y humedad, frenando la corrosión de la plata inducida por yoduro y la migración de Ag⁺ hacia la perovskita. Una extracción de electrones más rápida combinada con un bloqueo físico de iones da un mecanismo de "desacoplamiento funcional", de modo que ambos efectos refuerzan juntos la durabilidad del dispositivo.

Este estudio utiliza una bicapa SnOx/AZO totalmente depositada por ALD para suprimir la degradación impulsada por reacciones de interfaz en células tándem de perovskita/silicio. La bicapa combina la buena alineación de bandas del SnOx con la alta conductividad y la función de barrera densa del AZO, reduciendo la acumulación de carga y frenando la difusión de iones y la entrada de humedad. Los dispositivos de unión simple alcanzaron una eficiencia del 23,47%, los dispositivos tándem del 33,25%, y ambos mantuvieron más del 96% de la eficiencia inicial tras 1000 horas de MPPT. Muestra lo fundamental que es la ingeniería de interfaz para construir fotovoltaica tándem de perovskita/silicio de alta eficiencia y estable, y señala un camino real hacia células que sean a la vez eficientes y duraderas.

El probador MPPT para compuestos de perovskita, construido en torno a un simulador solar LED A+AA+ como fuente de luz de envejecimiento, brinda un fuerte apoyo a la investigación de células solares de perovskita. Debido a que las células de perovskita son tan sensibles a la luz y la temperatura, su punto de máxima potencia se desplaza constantemente. El controlador MPPT rastrea y fija ese punto en tiempo real, de modo que el sistema siempre entrega su mejor potencia. Eso maximiza el rendimiento energético y mejora la estabilidad y la economía de todo el sistema fotovoltaico.

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

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.

Lo que destaca aquí es la idea de "desacoplamiento funcional", permitir que una capa delgada se encargue de la alineación de bandas y otra del bloqueo, en lugar de forzar a una única película de SnOx a hacer ambas tareas y perder en una de ellas. En el lado de la producción, la uniformidad de la pila ALD en un módulo de tamaño completo es exactamente donde el control de línea y la metrología importan, y es el tipo de detalle de proceso que nos obsesiona cuando construimos líneas de módulos. Si quieres ver más sobre cómo se integra realmente la fabricación de módulos de perovskita y tándem en la planta, vale la pena seguir el canal de YouTube de Ooitech (www.youtube.com/ooitech) .