Forschungshintergrund und Herausforderungen

Perovskit/Silizium-Laminated-Solarzellen können die Effizienzgrenzen von Einzelbundenzellen überbrechen und zu einem wichtigen Kandidaten für die nächste Generation der Photovoltaik-Technologie werden. Insbesondere auf Siliziumsubstrationen mit industrieller Textur zeigt diese Technologie eine ausgezeichnete Lichterfassungsfähigkeit und eine kostengünstige Wirksamkeit mit guten Perspektiven auf die Industrialisierung. Die Kommerzialisierung steht jedoch weiterhin vor wichtigen technologischen Engpässen:

Kernaufforderung 1: Probleme mit der Filmstabilität im Prozess

• Mischen zweistufige Verdampfung-Die Lösungsablagerungsmethode kann zwar die Koformität mit der texturierten Siliziumschicht erreichen, aber der Prozess muss bei hohen Temperaturen (~ 150°C(und hohe Feuchtigkeit)~ 40% RHLuftabzündung in der Umwelt

• Diese Bedingung führt zu einem schweren Zerfall der Perovskitfilmoberfläche durch die doppelte Wirkung von hoher Temperatur und Feuchtigkeit.

Hauptherausforderung 2:PbI₂Negative Auswirkungen von Nebenprodukten

• Überdosierung durch FolienabbauPbI₂Bildung von Ionenmigrationskanälen, Beschleunigung der Verschlechterung der Geräte

• Ernstiger ist die Auslösung der Schnittstellenträgerkomposite, die zu einem Verlust der Geräteeffizienz und einer Verschlechterung der Stabilität führt

Diese Prozessstabilitätsprobleme und die daraus verursachte Leistungsverlust,Perovskit stark eingeschränkt/Langfristige Stabilität und Haltbarkeit von Silizium-Laminated-Batterien sind ein wichtiges technisches Hindernis für die industrielle Massenproduktion.

Forschungsteam und wichtige Ergebnisse

Diese Studie wurde vonProf. Tan Hairen und Prof. Kung Wenqi vom Nationalen Schlüssellabor für Festkörperliche Mikrostrukturen der Universität NanjingGemeinsame Führung, in Zeitschriften veröffentlicht„ACS Energiebriefe»Das Forscherteam hat Perovskit erfolgreich gelöst./Kernprobleme bei der Industrialisierung von Siliziumbatterien:Durch hohe Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei der Mischung zweistufiger AblagerungPbI₂Nebenproduktprobleme.

Abbildung 4d

Die wichtigste Innovation des Teams istEinführenDMPESIHydrophobe Innenverpackungsschicht. Effektiv unterdrückt den Perovskit-Oberflächenausbruch während des Hitzprozesses und reduziert gleichzeitig die nicht-strahlende Zusammensetzungsrate, optimiert die Kristallwachstumsqualität und verbessert somit die offene Schaltungsspannung und den Füllfaktor des Geräts. Dies wirdDMPESIErfolgreiche Anwendung auf Mischungsverdampfung von Textur-Substraten-Der Lösungsablagerungsprozess erweitert das Anwendungsgebiet dieses Moleküls erheblich.

Perovskit mit industrialisierter Textur im Team/Siliziumbatterien erreichen30.49%KonvertierungseffizienzBei langfristigen Stabilitätstests1800Aufrechterhaltung der ursprünglichen Effizienz nach Stundennachverfolgungstests84%，723Aufrechterhaltung der anfänglichen Effizienz nach Stundenfeuchtheiztest80%Diese Daten übertreffen die Leistung der Kontrollgruppe und belegen die bemerkenswerte Wirkung dieser Methode bei der Verbesserung der Stabilität und Haltbarkeit der Geräte. Diese Technologie ist für die Vorbereitung von Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit geeignet und bildet eine solide Grundlage für die industrielle Massenproduktion mit niedrigen Kosten.

Experimentelle Schritte und Prozesse

Abbildung 1a

Herstellung leistungsstarker und stabiler Perovskite durch ausgeklügelte Filmabsetzungs- und Additivstrategien/Siliziumschichten Solarzellen. Hier sind die wichtigsten experimentellen Schritte:

· Vorbereitung der Substrate mit Basisbatterie: Siliziumheterogene Knoten mit industrialisierter Textur(SHJ)Die untere Batterie als Substrat. Zur Herstellung der Batterie wird zuerst4Zoll Silizium Wafer zum Laserschneiden2,5 × 2,5 cm2Größe und anschließend200°CZur Reparatur von Spritzschäden. Anschließend spritzen Sie auf Siliziumsubstrat.20Nanodickes Indiumzinnoxid(ITO)als Composite Layer.

· Zweistufige Ablagerung von Perovskit: Die Herstellung von Perovskitfilmen wurde verwendetMischen zweistufige Verdampfung-Lösungsablagerung.

oder Anorganische Skelettbildung: Zunächst einmal durch Wärmeverdampfung auf dem Substrat gemeinsam verdampfenPbI2undCsBrBildung ungefähr540Nanodicke anorganische Skelettschichten.

oder Organische Salzlösung undDMPESIhinzufügenAnschließend wird es Perovskit-Vorläufer enthalten(wieFA0.8Cs0.2Pb (I0.8Br0.2))organische Salzlösung undSchlüsselstabilisator——DMPESISie werden auf den gebildeten anorganischen Film aufgetragen. DieseDMPESIAdditive spielen eine entscheidende Rolle in der Lösung und können mitPbI2Die Reaktion bildet eine hydrophobe innere Kapselschicht.

oder Vorbrennung und Luftbrennung:Die Folie nach dem Drehen wird zuerst90°CVorbrennbehandlung in Stickstoffumgebung. Führen Sie dann die entscheidenden Luftabkühlungsschritte durch, in etwa150°CVereinbarung45%Relative Feuchtigkeit (oder bei hoher Feuchtigkeit)60%Ausbrennen unter relativer Luftfeuchtigkeit)20Minuten. Dieser Schritt istDMPESIDer Schlüssel zur Bildung einer Schutzschicht, die den Abbau von Perovskit hemmt.

· Oberschicht und Elektroden AblagerungNachdem die Vorbereitung der Perovskit-Schicht abgeschlossen ist, werden die Elektronenübertragungsschicht und die Elektrode in der Reihenfolge abgelegt.

oder Für Einzelbundene Perovskit-Solarzellen wird zunächst die Wärme verdampft20von Nani.C60Dünnfilm, dann durch die Atomschicht abgelegt(ALD) 15von Nani.SnO2.

oder Für die Solarzellen, inC60Nach dem Spritzen.50von Nani.ITO.

oder Schließlich heißes Silber verdampfen(Ag)Als obere Elektrode (Einzelbatterie ist150Nano, überlagerte Batterien für400nanometrisch).

· Anti-Reflexionsschicht Vorbereitung(Für Stapelbatterien): Zur weiteren Verbesserung der Lichterfassungsfähigkeit der überlagerten Batterie wird die Wärme schließlich auf ihrer Oberfläche verdampft100von Nani.MgF₂als Anti-Reflexschicht.

Charakterisierungsmethoden und Ergebnisse

Quasi-Fermi-Energiespaltung(Quasi-Fermi-Niveausplutzung, QFLS)

Beurteilung des Verlustgrades der nicht-strahlenden Komponente in Perovskitfilmen und der Fehlerpassivationswirkung,QFLSErhöhung der Open-Circuit-Spannung für direkt verbundene GeräteVOCVerbesserung. Anwendungvon 405 nmLaser-Anregungsquelle, Integrationskugelmesssystem durch Faser, Laserintensität angepasst auf1 SonneMessung der photogenischen Quantenproduktivität unter gleichwertigen Bedingungen.

DMPESIDie Behandlung verbessert die Struktur aller Schichten deutlich.QFLSWertePerovskitmaterialien als HauptVOCVerlustquellen nach der Verarbeitungdeutliche Verbesserung.DMPESIEffektiv unterdrückt die Oberflächenablösung während des Luftkühlprozesses,Verringerung der nicht-strahlenden Schnittstellenkompositemachen Perovskit/ C60an der Schnittstelle.VOCDie Verluste werden entsprechend reduziert. Durch reine Perovskitfilme,HTL/Perovskit undHTL/Perovskit/ ETLSystematischer Vergleich der drei Stapelstrukturen bestätigtDMPESIDie Verarbeitung zeigt an allen Schnittstellen eine ausgezeichnete Fehlerpassivierungsfähigkeit.

Abbildung 3dZeigt die Extraktionen in verschiedenen Stackstrukturen anQFLSWertvergleich.DMPESIBehandlungsgruppe in reinem Perovskit,HTL/Perovskit undHTL/Perovskit/ ETLAlle Ebenen der SchnittstelleQFLSDie Werte sind deutlich höher als die Kontrollgruppe, die ihre Wirkung bei der Unterdrückung von Verlusten der nicht-strahlenden Zusammensetzung intuitiv darstellt, was das Gerät stark erklärtVOCGrundgründe für die Erhöhung.

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Elektroluminescente Quantenproduktivität(EQEEL)

Weitere Analyse der nicht-strahlenden Komponente des Geräts und Quantifizierung der Quasi-Fermi-Energiespaltung in einzelnen gebundenen Solarzellen. verwendenKeithley 2450Die Spannungsquelle-Messeinheit bietet eine konstante Stromdichte und misst die Photonen, die durch die Integralkugel und das Kalibrierspektrometer in alle Richtungen emittiert werden.

DMPESIDie Verarbeitung verbessert die Leistung des elektrischen Spinals erheblich: im Gegensatz zu1 Sonneunter analogen Stromdichtebedingungen,DMPESIBearbeitungseinheitEQEELDa0.430%deutlich besser als die Kontrollgruppe.0.145%. entsprechendVOCDer Verlust ist jeweils142 mVund170 mV，DMPESIBearbeitungsgruppeVOCVerluste reduziert28 mVDas Ergebnis zeigtDMPESIDurch die Unterdrückung des Oberflächenausbrauchs und die Optimierung des Kristallisationsprozesses erzielt die Behandlung eine bessere Perovskitmasse und eine geringere nicht-strahlende Zusammensetzung, wodurch die offene Schaltungsspannung des Geräts effektiv verbessert wird.

Abbildung 3eAnzeige der Kontrollgruppe undDMPESIBehandlungsgruppe Perovskit-GeräteELSpektralvergleich.DMPESIBearbeitungsgruppeELDie Stärke ist deutlich höher als die Kontrollgruppe, nachweislichDMPESIWirksame Unterdrückung der nicht-strahlenden Zusammensetzung, so dass mehr Träger in Form von strahlenden Zusammensetzungen leuchten und eine ausgezeichnete Trägerqualität zeigen.

Stromdichte-Spannung(J-V)Kurvenmessung

Bewertung der PV-Leistungsparameter von Solarzellen, Single-Bond-Batterien für den Einsatz in Stickstoffaufladenden HandschuhkostenKeithley 2400Messung, Akku-EinsatzKeithley 2450Spannungsquelle Messeinheit, inEnliTech SS-X 3ASonnensimulatorMessung unter Beleuchtung in der Luft.

DMPESIDie Verarbeitung verbessert die Leistung der Geräte erheblich: Einzelbundete Perovskit-Batterien mit optimaler Effizienz21.2%（VOC = 1,227 V，JSC = 21,0 mA cm^-2，FF = 82,4 %Nur die Kontrollgruppe20%Es gibt fast keinen Scan.J-VVerzögerungen.

Perovskit mit industrieller Textur/Siliziumbatterien ermöglichen bahnbrechende30.49%Labor Effizienz29.8%Zertifizierung EffizienzIm Vergleich zur Kontrollgruppe29.05%Erhöhung der absoluten Effizienz1%，VOCErhöhen40 mV，FFErhöhung nahe2%Statistische Analysen zeigenDMPESIVerbesserte durchschnittliche Effizienz der überlagerten Batterien im Vergleich zur Kontrollgruppe1.2%.

Abbildung 3aZeige die besten Perovskit-BatterienJ-VKurven vergleichen.DMPESIDie Kurvenform der Bearbeitungseinheiten ist besser, die positive und negative Scan-Verzögerung ist deutlich reduziert, was die Leistungsstabilität und die Effizienzsteigerung bestätigt.

Abbildung 4dDarstellung der überlagerten Batterien am bestenJ-VKurven- und Effizienzverteilungsstatistiken.DMPESIDie Verarbeitungsgruppenkurve ist deutlich besser als die Steuergruppe, insbesondere in Bezug auf die offene Schaltungsspannung und den Füllfaktor, die eingebettete Diagrammstatistik übertrifft30Die Effizienzverteilung der einzelnen Geräte zeigt eine deutlich höhere durchschnittliche Effizienz der Verarbeitungsgruppe und eine konzentriertere Datenverteilung.

Externe Quanteneffizienz(EQE)

Messung von Photonen in Batterien unter verschiedenen Wellenlängen-Elektronenumwandlungseffizienz und Berechnung der integrierten optischen Stromdichte. Einzelbatterie in der Luft mit PhasenverstärkerQESystemmessung, überlagerte Batterien mit Wellenlängen850 nm(Batterie) und460 nm(Oberste Batterie) hohe HelligkeitLEDsMessung von biased light.

DMPESIVerbesserte Spektralreaktionseigenschaften: in einer Perovskit-Batterie,DMPESIIntegrierte optische Stromdichte in der Verarbeitungsgruppe21,30 mA cm^-2Besser als die Kontrollgruppe.21,19 mA cm^-2. Perovskit-Oberseite der überlagerten Batterien mitSHJDie untere Stromdichte der Batterie ist20.67und20,25 mA cm^-2Das Design der etwas höheren Stromdichte der oberen Subbatterien zielt darauf ab, Stromstörungen strategisch einzuführen und die Leistung und Betriebsstabilität der Stapelgeräte zu verbessern.

auf dem Textur-Substrat,DMPESIBearbeitungsgeräte in550 nmDie folgenden Banden zeigen eine höhere Gesamtreaktion, die auf den Oberflächenaufbau zurückzuführen ist.PbI₂Reduzierte Absorption von Parasiten.

Abbildung 3cEinzelbundete Perovskit-BatterienEQEKurven vergleichen.DMPESIDie Behandlungsgruppen zeigten eine Verbesserung der spektralen Reaktion, insbesondere in den Bereichen mit kurzen Wellenlängen besser als höherJSCWerte übereinstimmen.

Abbildung 4fDMPESIBearbeitung von StapelgerätenEQEKurve, die Perovskit-Oberseite mit Silizium-Unterseite-Batterie reagiert. Zwei BatterienEQEGute Überlappung der Kurven und ausgezeichnete Leistung in den jeweiligen Absorptionsintervallen bestätigen eine hervorragende Spektralverteilung und Stromabstimmung.

Maximale Leistungspunktverfolgung(MPPT) /Betriebsstabilität(ISOS-L-1)

Bewertung der langfristigen Betriebsstabilität des Geräts unter analogem Sonnenlicht. in der Luft (30-50%Mehrfarbige Verwendung bei relativer Luftfeuchtigkeit)LEDsSimulator zur Verfügung gestelltDer AM1.5GStandardbeleuchtung (100 mW cm^-2Betriebstemperatur des Geräts ca.35°C(Selbstbeheizung), Umgebungstemperatur25°CVerpackungsgerätetests ohne aktive Kühlung.

DMPESIDie Verarbeitung erhöht die langfristige Betriebsstabilität erheblich: DurchDMPESIModifizierte Überlagerungen in der Nähe1800StundeMPPTBeibehalten der anfänglichen Effizienz nach dem Test84%Kontrollgeräte sind nur890Schneller Abbau nach einer Stunde auf eine anfängliche Effizienz75%Sie zeigen deutliche Leistungsunterschiede.

Abbildung 4gAnzeige der Verpackungsüberlagerung inDer AM1.5GVollspektrale Simulation unter SonnenlichtMPPErgebnisse verfolgen.DMPESIDie Effizienz der Behandlungsgruppe nimmt im Laufe der Zeit deutlich langsamer ab als die Kontrollgruppe, was ihre Leistung bei der Betriebsstabilität stark beweist.

Nass-Hitze-Test(Feuchtige Wärme) /Langfristige Stabilität(ISOS-D-3)

Bewertung der langfristigen Stabilität des Geräts bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit. Verpackungsüberlagerungen in Umgebungstestboxen für konstante Aufrechterhaltung85°CTemperatur und85%Relative Luftfeuchtigkeit übersteigt800Stunden, regelmäßige Messung der Leistung (ca.30Minuten nach Abkühlung).

DMPESIAusgezeichnete Feuchthermbeständigkeit: DurchDMPESIModifizierte Überlagerungen in723Aufrechterhaltung der anfänglichen Effizienz nach Stundenfeuchtwärmeprüfung80%Die Haltbarkeit ist hervorragend. Kontrollgeräte in334Nach Stunden auf die ursprüngliche Leistung abgebaut67%ZeigeDMPESISchutzwirkung in rauen Umgebungen.

Abbildung 4hVerpackungsgeräte in85°C/85 % RHLangfristige Stabilitätstests unter dunklen Bedingungen.DMPESIDie Behandlungsgruppe zeigt einen langsameren Trend zur Effizienzabnahme bei hoher feuchter Wärme und bestätigt erneut ihre ausgezeichnete Haltbarkeit.

Andere Merkmale

XStrahlendiffraktion(XRD)

Charakterisieren Sie die Phasenzusammensetzung und die Kristallqualität der Perovskitfilme.DMPESIKonzentration übersteigt3 mg/mlZeit in7°Orte bilden1D DMPESPbI₃Phase, Behandlungsgruppe Film unter verlängertem Ausbrennen und hoher LuftfeuchtigkeitPbI₂Die Produktion war minimal, während die Kontrollgruppe deutlich erhöht wurde.(Abbildung 1b)

Scan-Elektronenmikroskop(SEM)

Beobachten Sie Veränderungen in der Form der dünnen Folie und der Korngröße.DMPESIDie verarbeitete Folie zerbricht sich nur leicht beim Hitzen und begleitet ein signifikantes Kornwachstum, das eine gleichmäßigere Form und größere Korn auf dem texturierten Substrat aufweist, während die Kontrollgruppe einen starken Oberflächenabbau erlebt.(Abbildung 2a)

XStrahlenfotoelektronenspektrum(XPS)

BestätigungDMPESImolekulare Einführung undPb-IChemische Umweltrekonstruktion.S 2pSpektrum166,0 eVSignal bestätigtDMPESIEinführung,Pb 4fundIch 3DDie Abwärtsverschiebung der Kernenergieebene ist auf1DStrukturiertPb-ISchlüssellänge erhöht.(Abbildung 1d.e)

Zweites Ionenmassenspektrum der Flugzeit(TOF-SIMS)

ErkundenDMPESIRaumverteilung im Film. Die Additive konzentrieren sich hauptsächlich auf die dünne Folienoberfläche und den unteren Grenzflächenbereich, und die Akkumulation im Körper kann vernachlässigt werden, was auf den räumlichen Bit-Resistance-Effekt der Konjugationsringstruktur von aromatischen Additiven zurückzuführen ist.(Abbildung 1f)

Zeitliche Unterscheidung von Licht(TRPL)

Messung der Lebensdauer des Trägers zur Bewertung der nicht-strahlenden Zusammensetzungsgeschwindigkeit.DMPESIDie Lebensdauer des Dünnfilmträgers wird deutlich verlängert1045,0 ns(Kontrollgruppe515,8 ns), hat sich als wirksam erwiesen, um die nicht-strahlende Zusammensetzungsrate zu reduzieren.(F)Abbildung 2f)

UV-Sichtbar(UV-vis)Absorptionsspektrum

Messung der Filmabsorptionseigenschaften und der optischen Bandlücke.TaucDiagramm anzeigenDMPESIDie Einführung verursachte keine signifikanten Änderungen der Bandspalte (Zum Beispiel≈1,67 eV).(Abbildung 2d)

Kontaktwinkelmessung

VerifizierungDMPESIVerbesserte Hydrophobie der Folie nach der Behandlung. Die bearbeitete Folie zeigt sowohl in der Vor- als auch in der Luft-Ausbrennphase eine erhöhte Hydrophobie.(Abbildung S9)

Stabile Leistungsausgabe(SPO)

Stabile Leistung bei langem kontinuierlichen Betrieb des Messgerätes.DMPESIImplementierung von Handhabungsüberlagerungen30.3%Stabile Leistungsausgabe.(Abbildung 4e)

Foto/Digitale Bilder

Intuitive Darstellung des physischen Aussehens des Geräts und des Abbaus durch Exposition gegenüber Feuchtigkeit.80 % RHIm TestDMPESIDie Behandlungsgruppe behält die ursprüngliche Farbintegrität langfristig, die Kontrollgruppe48Innerhalb einer Stunde entstehen offensichtliche gelbe Zersetzungspunkte und eine große Fläche Abbau.(Abbildung 2g)

Schlussfolgerungen

Forschungsteam führt durchDMPESIHydrophobe ZusatzstoffeErfolgreich Perovskit gelöst/Kerntechnologische Engpässe im Prozess der Industrialisierung von Siliziumbatterien erzielen bahnbrechende Ergebnisse.

DMPESIMoleküle undPbI₂Reaktionsbildung1D DMPESPbI₃Perovskit bildet eine schützende Kapselschicht an der Schnittstelle und unterdrückt effektiv den Film-Abbau während des Luftkühlprozesses. Dieser Mechanismus fördert eine größere Kornbildung, verringert die Defektdichte und verbessert die Lebensdauer des Trägers erheblich (1045,0 ns gegen 515,8 ns) und verbessert die Stabilität des Films bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit.

Großer Durchbruch in Geräteleistung: Einfache Perovskit-Batterie Effizienz21.2%Fast nichts.J-VVerzögerungen.Perovskit mit industrieller Textur/Siliziumbatterien entstehen30.49%Labor Effizienz Aufzeichnung, erhalten29.8%Zertifizierung EffizienzVerbesserte absolute Effizienz im Vergleich zur Kontrollgruppe1%，VOCErhöhen40 mV，FFErhöhung nahe2%.

Langfristige Stabilität: Einrichtungen in1800StundeMPPTAufrechterhaltung der anfänglichen Effizienz nach dem Test84%，723Stundenlange Wartung nach nasser Hitze80%Effizienz weit über der Kontrollgruppe hinaus. auf dem Textur-Substrat,DMPESIBearbeitungsgeräte reagieren besser spektral in kurzen Wellenlängenbereichen, bestätigtPbI₂Die Absorption von Parasiten wird effektiv reduziert.

Diese Studie für die industrielle niedrige Kosten Massenproduktion von Perovskit/Siliziumschichten-Solarzellen bieten einen praktikablen technologischen Weg,Die Kombination von Rekordeffizienz und langfristiger Betriebsstabilität bildet eine solide Grundlage für die Kommerzialisierung von überlagerten Batterien.

Referenz auf ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01010

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