Efficacité de 33,25 %, rétention MPPT de 96 % après 1000 heures : la bicouche SnOx/AZO entièrement ALD supprime les réactions d'interface dans les tandems perovskite/silicium
Table des matières
Introduction du produit
Les cellules tandem pérovskite/silicium ont déjà atteint une efficacité de 35 %. Le problème est la stabilité. Ces dispositifs sont encore loin de la durée de vie de 25 ans requise pour la commercialisation, et la cause racine se situe aux interfaces. La charge s'y accumule, et cette accumulation déclenche des réactions redox et la migration des ions.
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 des ions. Pour étudier cela, un testeur MPPT composite à pérovskite utilisant un simulateur solaire LED de grade AAA comme source de lumière de vieillissement peut contrôler la température de la cellule de plusieurs manières et gérer l'environnement environnant, 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 des bandes, 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 pérovskites à large bande interdite à jonction unique avec cette structure ont atteint une efficacité de 23,47 %, et les dispositifs tandem ont atteint 33,25 %. Après 1000 heures d'éclairage continu, ils ont conservé 96 % de leur efficacité initiale, ce qui confirme la stratégie d'interface.
Paramètres techniques
Spécifications du testeur MPPT composite à pérovskite
| Paramètre | Spécification |
|---|---|
| Grade de la source lumineuse | Simulateur solaire LED A+AA+ (3A+) |
| Durée de vie de la source lumineuse | 10 000 h+ |
| Sortie spectrale (ajustable) | 350-400 nm / 400-750 nm / 750-1150 nm, contrôlés indépendamment |
| Chambre environnementale | Température et humidité constantes en option, conforme à la norme ISOS |
| Charge électronique | Plusieurs modèles, fonctionnement indépendant multi-canaux |
| Application | Test de stabilité des cellules tandem et à jonction unique à pérovskite |
Avantages techniques
Fabrication de bicouches ALD et performance électrique
Les tests à jonction unique ont montré que SnOx fonctionne le mieux à 150 cycles. L'augmentation de l'épaisseur a augmenté la résistance série et réduit le facteur de remplissage. Pour atténuer la limite de résistivité, les auteurs ont ajouté une couche intermédiaire 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 à IZO, formant un alignement de bandes 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 le 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 métallique Pb⁰ en XRD, ainsi que des vides à l'interface et une perte de volume en SEM en coupe transversale. Dans les échantillons SnOx/AZO, ces signes de dégradation étaient beaucoup plus faibles. La TOF-SIMS a montré une pénétration importante d'Ag dans la couche de pérovskite et une diffusion sévère de I⁻ dans les dispositifs SnOx, tandis que les dispositifs SnOx/AZO ne montraient aucune diffusion ionique évidente.
Après 7 jours à 85% d'humidité relative, le film recouvert de SnOx a développé une phase δ jaune, mais SnOx/AZO est resté noir. Les mesures PLQY ont montré une perte de recombinaison non radiative plus faible et une rétention 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 produit
Performance et stabilité des cellules à jonction unique
Dans les dispositifs à jonction unique avec la structure ITO / NiOx / Me-4PACz / pérovskite / C60 / couche ALD / Ag, le champion SnOx/AZO a atteint une efficacité de 23,47%, VOC 1,27 V, FF 83,92%, JSC 22,07 mA/cm², avec une hystérésis clairement 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 de sortie stabilisée était de 23,12%. L'énergie d'Urbach était de 13,11 meV, inférieure à celle du dispositif SnOx (16,38 meV).
En termes de stabilité, après 1100 heures de vieillissement dans l'obscurité à 85°C, le SnOx/AZO a conservé plus de 90% de son efficacité initiale, tandis que le SnOx était descendu à 85% après 600 heures. Sous 85°C avec illumination, le SnOx/AZO a maintenu plus de 80% après 300 heures, tandis que le SnOx est tombé sous 60% après 200 heures. Lors des tests MPPT, le SnOx/AZO a conservé 96% après 2000 heures, tandis que le SnOx est tombé 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 du SnOx d'environ 10 nm et de l'AZO d'environ 60 nm, sans trous ni délamination. 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 une efficacité de 33,25 %, une VOC de 1,98 V, une JSC de 20,83 mA/cm², un FF de 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 de sortie stabilisée était de 32,38 %.
Après 1000 heures de vieillissement thermique à 85 °C, le SnOx/AZO a maintenu plus de 90 % d'efficacité, tandis que le SnOx est tombé sous 90 % en moins de 400 heures. Lors du test humidité-chaleur (double 85), le SnOx/AZO est resté au-dessus de 92 % après 400 heures, tandis que le SnOx est tombé sous 80 % en moins de 200 heures. Après 1000 heures d'éclairage continu, le SnOx/AZO a maintenu plus de 96 %, tandis que le SnOx est tombé sous 80 % en moins de 300 heures.
Résumé du mécanisme
L'avantage de la bicouche SnOx/AZO se résume à deux choses. La couche conductrice d'AZO accélère l'extraction des électrons et réduit l'accumulation de charges 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 les iodures et la migration des Ag⁺ dans la pérovskite. Une extraction plus rapide des électrons associée à un 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 bandes du SnOx à la haute conductivité et à la fonction de barrière dense de l'AZO, réduisant l'accumulation de charges et freinant la diffusion des ions et l'entrée d'humidité. Les dispositifs à jonction unique ont atteint une efficacité de 23,47 %, les dispositifs tandem de 33,25 %, et les deux ont maintenu 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 tandems pérovskite/silicium à haute efficacité et stables, et indique une voie réelle vers des cellules à la fois efficaces et durables.
Le testeur MPPT composite pour pérovskite, construit autour d'un simulateur solaire LED A+AA+ comme source lumineuse de vieillissement, apporte un soutien solide à la recherche sur les cellules solaires à pérovskite. Parce que les cellules à pérovskite sont si 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 produit toujours à sa meilleure puissance. Cela maximise le rendement énergétique et améliore la stabilité et l'économie de tout le système photovoltaïque.
Référence : Suppression des réactions interfaciales dans les cellules solaires tandem pérovskite/silicium via une bicouche SnOx/AZO entièrement ALD
Point de vue d'Ooitech
Ce qui ressort 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 sur l'une d'elles. Côté production, l'uniformité de l'empilement ALD sur un module pleine taille est exactement là où le contrôle de ligne et la métrologie comptent, et c'est le genre de détail de processus que nous surveillons de près lors de la construction de lignes de modules. Si vous voulez en voir plus sur la façon dont la fabrication de modules tandem et pérovskite se concrétise réellement sur le sol de l'usine, la chaîne YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) vaut la peine d'être suivie.
