Células Tándem de Perovskita/Silicio: Capa de Interconexión de ITO de 8nm Alcanza 31.80% de Eficiencia

Introducción del Producto

Las células solares tándem monolíticas de perovskita/silicio son una de las rutas más claras para superar el límite de eficiencia de los dispositivos de unión simple. La célula superior y la célula inferior están conectadas en serie a través de una capa de interconexión de recombinación, y la calidad de esa interfaz determina si los portadores pueden transportarse y recombinarse sin problemas. El problema se encuentra en la superficie texturizada de micro-pirámides de la célula inferior de heterounión de silicio (SHJ). Las pirámides tienen unos 600 nm de altura, y en ese terreno la capa de recombinación sufre pérdida óptica parásita mientras que la monocapa autoensamblada (SAM) nunca se extiende uniformemente. Con el tiempo, esto reduce el rendimiento del dispositivo.

Este trabajo midió capas de interconexión de óxido de indio y estaño (ITO) de 2 a 30 nm de grosor y encontró que una capa ultrafina de 8 nm funciona mejor en dos frentes a la vez: reduciendo la pérdida óptica y mejorando la uniformidad del potencial superficial. Una vez que se apilaron la modificación con NiOx y la funcionalización con Poly-SAM, la densidad de corriente de cortocircuito aumentó en 0.85 mA cm⁻² hasta alcanzar 20.82 mA cm⁻², la eficiencia de conversión de potencia alcanzó el 31.80%, y después de 500 horas de seguimiento del punto de máxima potencia, el dispositivo aún mantenía el 96% de su eficiencia inicial.

Método experimental

La célula inferior SHJ utilizó obleas de silicio tipo n, de 110 ± 10 µm de grosor, texturizadas por doble cara con KOH en pirámides de unos 600 nm de altura. Después de la limpieza RCA, PECVD depositó capas de pasivación y dopadas en secuencia: la parte frontal recibió 8 nm de a-Si:H(i) intrínseco más 15 nm de nc-SiOx:H(n) tipo n, la parte trasera recibió 8 nm de a-Si:H(p) tipo p, luego se pulverizaron 110 nm de ITO y se evaporaron 700 nm de Ag en la parte trasera. En la parte frontal, se depositaron seis grosores de interconexión de ITO por separado: 2, 5, 8, 10, 20 y 30 nm, se recocieron a 180°C y se grabaron con láser.

La celda superior de perovskita siguió esta ruta. La celda inferior se recoció y se trató con ozono UV primero, luego se depositó NiOx por pulverización catódica magnetrónica, seguido de otro recocido y paso de ozono UV. Dentro de una caja de guantes de nitrógeno, se recubrió por centrifugación Poly-SAM (0.5 mg mL⁻¹, disolvente metanol y clorobenceno en proporción 1:1) y se recoció a 100°C. La perovskita fue Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ con una banda prohibida de 1.68 eV, recubierta por centrifugación en dos pasos, con clorobenceno goteado como antidisolvente durante la etapa de alta velocidad y horneada a 100°C durante 20 minutos. La superficie se ajustó con PDADI, luego se evaporó térmicamente C₆₀, se creció SnO₂ por ALD, se pulverizó IZO de 45 nm, se evaporaron electrodos de Ag, y finalmente una película antirreflectante de MgF₂ cubrió la pila.

Ventajas Técnicas

Propiedades optoelectrónicas de la capa de interconexión ITO

(a) Rsh, Ne y µ versus espesor (n = 10); (b) absortancia y reflectancia óptica de la capa de ITO; (c) función de trabajo versus espesor; (d) cambio de función de trabajo (ΔWF) antes y después del tratamiento con NiOx en diferentes espesores; (e) esquema de distribución de SAM en ITO modificado con NiOx; (f) mapas de potencial de superficie KPFM de ITO de interconexión de 2–30 nm; (g) mapas de potencial de superficie KPFM de ITO de interconexión de 8 nm antes y después de la funcionalización con NiOx y Poly-SAM.

Las mediciones de efecto Hall mostraron que la resistencia de hoja disminuye a medida que aumenta el espesor de la película, lo cual es de esperar. La concentración de portadores se mantuvo bastante estable entre 8 y 30 nm, alrededor de 2.8 a 3.5 × 10²⁰ cm⁻³, pero por debajo de 8 nm comienza a disminuir. La movilidad solo se redujo ligeramente en la ventana estrecha de 2 a 8 nm, una señal de que la integridad de la película aún estaba intacta. 8 nm se encuentra justo en el punto óptimo donde la resistencia de hoja es lo suficientemente baja y el rendimiento eléctrico no se ha colapsado.

(a) Espectro XPS de alta resolución de O 1s con ajuste de picos de la capa de ITO sobre la superficie de la celda inferior de c-Si texturizado. (b) Espectros XPS de alta resolución de la capa de ITO de 8 nm sobre la celda inferior de c-Si texturizado antes y después de la modificación con NiOx. (c) Imagen SEM de sección transversal de la capa de ITO de 8 nm sobre la celda inferior de c-Si texturizado. (d) Mapas de elementos EDS correspondientes de la región enfocada de la muestra de ITO de 8 nm, con la leyenda de color-elemento en la parte superior derecha.

Ópticamente, adelgazar el ITO redujo tanto la reflectancia como la absortancia por encima de 450 nm, gracias a la interferencia destructiva y a la absorción más débil de portadores libres.

• UPS mostró que la función de trabajo aumentaba al reducirse el espesor, y tras la modificación con NiOx y el recocido, el pico del cambio de la función de trabajo se alcanzó a 8 nm.

• Los escaneos de área KPFM revelaron que el ITO de menos de 10 nm suprimió todos los puntos de derivación locales, siendo 8 nm el que ofreció la mejor uniformidad.

• XPS reveló un detalle interesante: la superficie de ITO de 8 nm tenía una mayor densidad de hidroxilos que la de 20 nm, y esos hidroxilos formaron enlaces puente In─O─Ni con el NiOx, permitiendo que el NiOx se extendiera de manera más uniforme y se adhiriera con mayor firmeza. Tras la modificación, la señal de In desapareció por completo, lo que indica que la calidad de la capa de recubrimiento fue excelente y sentó una buena base para el autoensamblaje de SAM que sigue.

• SEM y EDS también confirmaron que el ITO de 8 nm proporcionó una cobertura conforme sobre la textura.

Rendimiento Fotovoltaico de la Celda Tándem

(a) Variación de Jsc en celdas tándem de perovskita/silicio; (b) variación de Voc; (c) variación de FF; (d) variación de PCE; (e) imagen SEM de sección transversal de la celda tándem sobre ITO; (f) patrón XRD de la película de perovskita sobre ITO; (g) espectro PL en estado estacionario de la película de perovskita sobre ITO; (h) curvas PL normalizadas en estado estacionario; (i) espectros de decaimiento TRPL transitorio de la película de perovskita sobre ITO; (j) imagen de fotoluminiscencia de la celda tándem, área activa 0.928 cm².

Los seis espesores de interconexión de ITO se sometieron a pruebas J-V.

• Por debajo de 5 nm, Voc y FF cayeron bruscamente. Voc no pudo superar 1.7 V y el PCE fue solo del 21.68%, principalmente porque la película ya era discontinua sobre la textura piramidal.

• 8 nm fue la mejor respuesta. SEM de sección transversal mostró granos de perovskita más grandes y densos sobre el ITO ultrafino (menos de 10 nm), y XRD confirmó una mejor calidad cristalina, aunque la muestra de 5 nm presentó un pico de PbI₂, señal de que la degradación ya había comenzado. La intensidad de PL en estado estacionario aumentó desde 30 nm hasta 8 nm, y luego volvió a caer, por lo que 8 nm se situó justo en el pico, coincidiendo con la menor densidad de defectos.

• El pico característico de PL normalizado no se desplazó, lo que significa que la naturaleza de la recombinación no radiativa en la interfaz se mantuvo igual. Los tiempos de vida de los portadores TRPL también fueron más largos a 8 nm. Estos resultados se remontan al dipolo neto más fuerte y a la función de trabajo más uniforme que aporta Poly-SAM, elevando juntos Voc y FF. La imagen PL también expuso no uniformidades submicrónicas dentro de la subcelda de perovskita, pero la capa de ITO ultrafina de alta resistividad tiene una resistividad lateral alta, por lo que el alcance de las derivaciones locales se limitó efectivamente y nunca arrastró a todo el dispositivo.

Mejora de la densidad de corriente

(a) Curvas EQE de las subceldas de perovskita y silicio bajo la capa de interconexión de ITO de 8 nm; (b) Curvas EQE de las celdas tándem inicial y optimizada.

La capa frontal de IZO se evaluó mediante la figura de mérito Aw × Rsheet⁻¹, y 45 nm resultó ser la mejor. Reducir el ITO de interconexión de 20 nm a 10 nm y luego a 8 nm aumentó la Jsc promedio de 19.78 a 19.96 y luego a 20.55 mA cm⁻². Las densidades de corriente integradas por EQE de las subceldas de perovskita y silicio fueron de 20.64 y 20.51 mA cm⁻², respectivamente, en línea con los datos de J-V. En comparación con el ITO de 20 nm, el de 8 nm proporcionó a la subcelda de perovskita un extra de 0.06 mA cm⁻² y a la subcelda de silicio un extra de 0.47, siendo la contribución del infrarrojo cercano de la celda inferior de silicio la que más ganó.

Aplicación del producto

Rendimiento y estabilidad del dispositivo

(a) Estructura esquemática y fotografía de la celda solar tándem de perovskita/silicio; (b) imagen SEM de sección transversal de la celda tándem; (c) curvas J-V de las subceldas de unión simple de perovskita y silicio; (d) curva J-V representativa de la celda de alto rendimiento; (e) variación de Rs en celdas tándem de perovskita/silicio construidas con capas de interconexión de ITO de 30 nm a 2 nm; (f) resultados de la prueba MPPT de la celda tándem encapsulada bajo iluminación de 1 sol.

Una vez ajustado el grosor de la interconexión de ITO, el PCE promedio de los dispositivos tándem aumentó del 28.64% al 30.67%. El ITO de 2 nm presentó una resistencia en serie Rs de hasta 41.26 Ω, por lo que la conexión en serie estaba esencialmente rota. La Rs de 8 nm era mucho menor, la impedancia interna disminuyó y la pérdida de voltaje cerca del punto de máxima potencia se redujo. En cuanto a la estabilidad, la celda tándem con ITO de 8 nm mantuvo el 96% de su PCE inicial después de 500 horas de MPPT, mientras que la de 20 nm conservó solo el 90%, situándose entre las más estables de la familia de interconexión TCO/SAM. ¿Por qué tan estable? La cobertura de Poly-SAM es alta y la cristalización de la perovskita mejora junto con ella.

Las regiones cubiertas por SAM tienen baja energía superficial, y los grupos de ácido fosfónico se coordinan con Pb²⁺ y FA⁺, guiando a la perovskita para que crezca lentamente y de manera ordenada, por lo que los granos resultan grandes. En las regiones de ITO desnudo no existe tal efecto de plantilla, la nucleación es rápida y desordenada, y los granos terminan siendo pequeños con abundantes límites de grano. Además, Poly-SAM pasiva los enlaces insaturados y las vacantes de haluro en la interfaz, se suprime la migración de haluros y se ralentiza la degradación. El potencial superficial uniforme que aporta el propio ITO ultrafino también ayuda, y al combinarse varios factores, la vida útil del dispositivo aumenta.

La prueba de estabilidad MPPT aquí se basa en un simulador solar LED de grado 3A+ como fuente de luz de envejecimiento, que puede controlar la temperatura de la celda y la atmósfera circundante de varias maneras para realizar pruebas de estabilidad a largo plazo.

Conclusión y perspectivas

8 nm es el espesor óptimo de interconexión de ITO para celdas tándem de perovskita/silicio. Este espesor mejora la calidad cristalina de la perovskita y reduce la absorción parásita. Después de la modificación con NiOx y la funcionalización con Poly-SAM, el potencial superficial se vuelve más uniforme y el cambio de función de trabajo es más pronunciado. La superficie de ITO de 8 nm contiene más grupos hidroxilo, NiOx se distribuye uniformemente, el SAM se empaqueta densamente, y la cobertura conforme sobre la textura se verificó mediante SEM y EDS. En comparación con el ITO convencional de 20 nm, el dispositivo optimizado alcanzó una eficiencia récord del 31.80%, con Jsc aumentada en 0.85 mA cm⁻² y un 96% de la eficiencia inicial retenida después de 500 horas de MPPT.

De cara al futuro, todavía hay mucho por mejorar. La textura trasera y el reflector óptico se pueden refinar aún más para fortalecer la captura de luz en la celda inferior de silicio, aumentar su corriente y lograr el equilibrio de corrientes. FF y Voc siguen siendo los cuellos de botella que limitan la eficiencia general, por lo que las estrategias de pasivación de contactos deben profundizarse. También vale la pena probar arquitecturas de interconexión alternativas, como las uniones túnel basadas en silicio. En cuanto a la ampliación a producción, el espesor del TCO y el diseño de la rejilla de metalización deben ajustarse conjuntamente, de modo que en áreas grandes el sombreado no sea demasiado pesado y la conducción lateral no se vea afectada. Y con una capa más delgada, el uso de indio disminuye, por lo que también se beneficia la sostenibilidad.

La opinión de Ooitech

Lo que destaca aquí es que unos pocos nanómetros de ITO pueden influir tanto en la óptica como en la cristalización sobre esa textura piramidal de 600 nm, y ese mismo problema de cobertura conforme es exactamente lo que aparece cuando las líneas de tándem pasan de muestras de laboratorio a módulos de tamaño completo. En el piso de producción, los pasos de tabber-stringer, layup y laminación deben respetar estas interfaces frágiles de interconexión y SAM, que es donde el equipo de línea de módulos uniforme y bien ajustado demuestra su valor. Si quieres ver cómo se ven estos procesos a escala real de fábrica, el canal de YouTube de Ooitech en www.youtube.com/ooitech vale la pena seguir.