Présentation du produit

Les cellules tandem pérovskite/silicium ont déjà atteint 35 % d'efficacité. Le problème est la stabilité. Ces dispositifs sont encore loin des 25 ans de durée de vie nécessaires à la commercialisation, et la cause profonde se situe aux interfaces. La charge s'y accumule, et cette accumulation déclenche des réactions redox et une migration ionique.

La couche de transport d'électrons ALD-SnOx largement utilisée rencontre un compromis d'épaisseur en raison de sa résistivité élevée. Trop épaisse, la résistance série augmente. Trop fine, elle ne peut pas bloquer les dommages de pulvérisation ou la diffusion ionique. Pour étudier cela, un testeur MPPT composite pérovskite utilisant un simulateur solaire LED de qualité AAA comme source lumineuse de vieillissement peut contrôler la température de la cellule de plusieurs manières et gérer l'environnement environnant, en effectuant des tests de stabilité à long terme.

Ce travail construit une bicouche SnOx/AZO via un processus entièrement ALD. Un SnOx ultra-mince maintient l'alignement de bande, tandis qu'une couche AZO conductrice offre un chemin à faible résistance et agit comme une barrière dense. Cela sépare l'extraction de charge et le blocage physique en deux tâches distinctes. Les cellules pérovskite à large bande interdite à jonction unique avec cette structure ont atteint 23,47 % d'efficacité, et les dispositifs tandem ont atteint 33,25 %. Après 1000 heures d'éclairage continu, elles ont conservé 96 % de leur efficacité initiale, ce qui soutient la stratégie d'interface.

Paramètres techniques

Spécifications du testeur MPPT composite pérovskite

Avantages techniques

Fabrication de bicouche ALD et performances électriques

Les tests à simple jonction ont montré que SnOx est le plus performant à 150 cycles. L'augmentation de l'épaisseur a augmenté la résistance série et diminué le facteur de remplissage. Pour atténuer la limite de résistivité, les auteurs ont ajouté une intercouche AZO déposée par ALD. Deux empilements ont été comparés : 250 cycles de SnOx contre 100 cycles de SnOx plus 400 cycles d'AZO.

Les mesures J-V ont montré que la combinaison SnOx/AZO améliorait les performances du dispositif. L'analyse des niveaux d'énergie a révélé que le minimum de la bande de conduction descend de SnOx à AZO puis à IZO, formant un alignement de bande en escalier plus favorable qui abaisse la barrière d'extraction à l'interface. La c-AFM a montré que SnOx/AZO et l'AZO pur conduisent beaucoup mieux que SnOx pur. La KPFM a montré un potentiel de surface plus uniforme et une densité de défauts plus faible sur le film de pérovskite SnOx/AZO. La spectroscopie d'absorption transitoire a confirmé une extraction plus rapide des porteurs avec SnOx/AZO.

La couche ALD supprime la dégradation

Après 400 heures de vieillissement à 85°C sous illumination, les échantillons SnOx ont montré une absorption plus forte de l'iodure de plomb en UV-vis, des pics de diffraction du Pb⁰ métallique en DRX, et des vides d'interface ainsi qu'une perte de volume en MEB en coupe. Dans les échantillons SnOx/AZO, ces signes de dégradation étaient beaucoup plus faibles. Le TOF-SIMS a montré une forte pénétration d'Ag dans la couche de pérovskite et une diffusion sévère d'I⁻ dans les dispositifs SnOx, tandis que les dispositifs SnOx/AZO n'ont montré aucune diffusion ionique notable.

Après 7 jours à 85% HR, le film recouvert de SnOx a développé une phase δ jaune, mais SnOx/AZO est resté noir. Les mesures de PLQY ont montré une perte de recombinaison non radiative plus faible et une rétention de PLQY plus élevée après vieillissement pour SnOx/AZO. La KPFM a montré une forte augmentation de la densité de défauts de surface pour l'échantillon SnOx vieilli, tandis que SnOx/AZO a à peine changé.

Application du produit

Performance et stabilité des cellules à simple jonction

Dans les dispositifs à simple jonction avec la structure ITO / NiOx / Me-4PACz / pérovskite / C60 / couche ALD / Ag, le champion SnOx/AZO a atteint 23,47% d'efficacité, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², avec une hystérésis nettement réduite. La densité de courant intégrée EQE était de 21,62 mA/cm², supérieure à celle du dispositif SnOx (20,92 mA/cm²). La puissance stabilisée était de 23,12%. L'énergie d'Urbach était de 13,11 meV, inférieure à celle du dispositif SnOx (16,38 meV).

En stabilité, après 1100 heures de vieillissement à l'obscurité à 85°C, le SnOx/AZO a conservé plus de 90% de son efficacité initiale, tandis que le SnOx est descendu à 85% après 600 heures. Sous illumination à 85°C, le SnOx/AZO est resté au-dessus de 80% après 300 heures, tandis que le SnOx est tombé en dessous de 60% après 200 heures. Lors des tests MPPT, le SnOx/AZO a maintenu 96% après 2000 heures, tandis que le SnOx est descendu à 80% après 700 heures.

Performance et stabilité des cellules tandem

La bicouche ALD a été intégrée dans un dispositif tandem pérovskite/TOPCon silicium. La microscopie HAADF-STEM a montré une bicouche continue et dense avec SnOx d'environ 10 nm et AZO d'environ 60 nm, sans trous ni décollement. La HR-TEM a confirmé que le SnOx est amorphe, et l'EDS a montré une distribution uniforme du Zn dans l'AZO.

Le dispositif tandem champion a atteint 33,25% d'efficacité, VOC 1,98 V, JSC 20,83 mA/cm², FF 80,71%, avec presque aucune hystérésis. L'EQE a montré des photocourants de cellule supérieure et inférieure de 20,43 et 20,40 mA/cm², un bon accord. La puissance stabilisée était de 32,38%.

Après 1000 heures de vieillissement thermique à 85°C, le SnOx/AZO a conservé plus de 90% d'efficacité, tandis que le SnOx est descendu en dessous de 90% en 400 heures. Lors des tests d'humidité-chaleur (double 85), le SnOx/AZO est resté au-dessus de 92% après 400 heures, tandis que le SnOx est tombé en dessous de 80% en 200 heures. Après 1000 heures d'illumination continue, le SnOx/AZO a conservé plus de 96%, tandis que le SnOx est descendu en dessous de 80% en 300 heures.

Résumé du mécanisme

L'avantage de la bicouche SnOx/AZO repose sur deux choses. La couche conductrice d'AZO accélère l'extraction des électrons et réduit l'accumulation de charge à l'interface, ce qui supprime la dégradation de l'interface induite par les réactions. En même temps, la bicouche dense agit comme une barrière efficace contre les ions et l'humidité, freinant la corrosion de l'argent induite par l'iodure et la migration des Ag⁺ dans la pérovskite. L'extraction plus rapide des électrons associée au blocage physique des ions donne un mécanisme de « découplage fonctionnel », de sorte que les deux effets renforcent ensemble la durabilité du dispositif.

Cette étude utilise une bicouche SnOx/AZO entièrement ALD pour supprimer la dégradation induite par les réactions d'interface dans les cellules tandem pérovskite/silicium. La bicouche associe le bon alignement de bande du SnOx à la haute conductivité et à la fonction de barrière dense de l'AZO, réduisant l'accumulation de charge et freinant la diffusion des ions et la pénétration de l'humidité. Les dispositifs à jonction unique ont atteint 23,47% d'efficacité, les dispositifs tandem 33,25%, et les deux ont conservé plus de 96% de l'efficacité initiale après 1000 heures de MPPT. Cela montre à quel point l'ingénierie d'interface est centrale pour construire des cellules PV tandem pérovskite/silicium à haute efficacité et stables, et indique une voie réelle vers des cellules à la fois efficaces et durables.

Le testeur MPPT à composite pérovskite, construit autour d'un simulateur solaire à LED A+AA+ comme source lumineuse de vieillissement, apporte un soutien solide à la recherche sur les cellules solaires pérovskites. Comme les cellules pérovskites sont très sensibles à la lumière et à la température, leur point de puissance maximale se déplace constamment. Le contrôleur MPPT suit et verrouille ce point en temps réel, de sorte que le système fonctionne toujours à sa puissance optimale. Cela maximise le rendement énergétique et améliore la stabilité et l'économie de l'ensemble du système photovoltaïque.

Référence : Suppression des réactions interfaciales dans les cellules tandem pérovskite/silicium via une bicouche tout-ALD SnOx/AZO

Point de vue d'Ooitech

Ce qui se démarque ici, c'est l'idée de « découplage fonctionnel », qui permet à une fine couche de gérer l'alignement des bandes et à une autre de gérer le blocage, au lieu de forcer un seul film SnOx à faire les deux tâches et d'en perdre une. Du côté de la production, l'uniformité de l'empilement ALD sur un module complet est exactement là où le contrôle de ligne et la métrologie comptent, et c'est le genre de détail de processus que nous étudions de près lors de la construction de lignes de modules. Si vous voulez en savoir plus sur la fabrication des modules pérovskites et tandem en usine, la chaîne YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) vaut le détour.