26.2% የተረጋገጠ የቅልጥፍና ግኝት በትልቅ ስፋት ሁሉም-ፔሮቭስኪት ታንደም ሞጁሎች፡ የIn₂O₃ ናኖክሪስታል ዋሻ ድጋሚ ውህደት መጋጠሚያ

መግቢያ

ሁሉም-ፔሮቭስኪት ተንደም የፀሐይ ሞጁሎች በከፍተኛ ብቃታቸው እና በዝቅተኛ ዋጋ አቅማቸው ምክንያት ለቀጣዩ ትውልድ የፎቶቮልታይክ ቴክኖሎጂ ጠንካራ ተፎካካሪ እንደሆኑ በሰፊው ይታሰባል። ሆኖም ግን ሰፊ ቦታ ያለው የንግድ ስራ በከፍተኛ ሁኔታ ተዘግቷል። አነስተኛ ቦታ ያላቸው መሳሪያዎች ቀድሞውኑ 30% ብቃት ሲያልፉ፣ ትላልቅ ቦታ ያላቸው ሞጁሎች (≥20 ሴሜ²) ለረጅም ጊዜ በ24.5% አካባቢ ተጣብቀዋል። ዋናዎቹ ተጠያቂዎች በተለመደው የወርቅ ላይ የተመሰረቱ የዋሻ ድጋሚ መጋጠሚያ መጋጠሚያዎች (TRJs) ውስጥ ያለው የAu/PEDOT:PSS መዋቅር ጠንካራ የቅርብ-ኢንፍራሬድ ጥገኛ መሳብ እና የገጽታ ሙቀት አለመረጋጋት ናቸው፣ ከዚህም ጋር በትልልቅ ቦታ የPb-Sn ፔሮቭስኪት ፊልሞች ውስጥ የተበላሸ የኃይል ማጓጓዣ በብላድ ኮቲንግ ወቅት ባልተመጣጠነ ክሪስታላይዜሽን ምክንያት ነው።

ይህ ጥናት በላይኛው ላይ የተስተካከለ የ In₂O₃ ናኖክሪስታሎች ላይ የተገነባ በመፍትሄ የሚሰራ TRJ ያዘጋጃል። የናኖክሪስታል ሞርፎሎጂ እና የላይኛው ኬሚስትሪ በማስተካከል ቡድኑ ከፍተኛ የኦፕቲካል ግልጽነት፣ ለስላሳ የገጽታ መገናኛዎች እና ተስማሚ የኢነርጂ ደረጃ አሰላለፍ አግኝቷል። በተመሳሳይ ጊዜ የፎስፖኒክ-አሲድ አይነት ተጨማሪዎች ከ Pb-Sn ፔሮቭስኪት ቅድመ-ሁኔታ ጋር ተዋውቀዋል ከ In₂O₃ ዳግም ውህደት ንብርብር ጋር የኤሌክትሮኒክ ግንኙነትን ለማሻሻል፣ የቀዳዳ ማውጣትን ለማሳደግ እና በትላልቅ ቦታዎች ፊልሞች ላይ የቀረውን ውጥረት ለማስታገስ የክሪስታላይዜሽን ኪነቲክስን ለማስተካከል። ይህ የተዋሃደ ስትራቴጂ በመገናኛው ላይ የተሸካሚ ዳግም ውህደት ቅልጥፍናን፣ የክፍያ ማውጣትን እና የትላልቅ ቦታ ፊልም ወጥነትን በአንድ ጊዜ ያሳድጋል፣ በመጨረሻም በ 65 ሴሜ² ክፍት ቦታ ላይ የ JET የተረጋገጠ 26.2% ቅልጥፍናን ያስገኛል (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — ሁሉንም-ፔሮቭስኪት ታንደም ፎቶቮልታይክስን ለማሳደግ በሚደረገው ጉዞ ላይ ቁልፍ ምዕራፍ።

የአዲሱ TRJ ንድፍ እና ጥቅሞች

ስራው በመፍትሄ የሚሰራ አማራጭ ያቀርባል፡ ከላይኛው ላይ ከተስተካከሉ ኢንዲየም ኦክሳይድ ናኖክሪስታሎች (In₂O₃ NCs) የተገነባ አዲስ TRJ (ዓይነት III)። ከተለመደው የ Au/PEDOT:PSS ዓይነት I መዋቅር እና በንግድ ITO ናኖክሪስታሎች ላይ የተመሰረተ ዓይነት II መዋቅር ጋር ስልታዊ በሆነ መንገድ ይነጻጸራል።

መዋቅር እና የገጽታ ባህሪያት

ራስ-የተዋሃዱ In₂O₃ NCs ከንግድ ITO NCs በጣም ትንሽ የሆነ ቅንጣት መጠን አላቸው፣ ይህም ለስላሳ የተቀበረ በይነገጽ ይፈጥራል እና የእውቂያ ጉድለት እፍጋትን ውጤታማ በሆነ መንገድ ይቀንሳል። የኤሌክትሪክ ሙከራዎች እንደሚያሳዩት ዓይነት III መዋቅር ምንም የክፍያ ማጓጓዣ እንቅፋት የሌለው ተስማሚ የኦሚክ እውቂያ ባህሪን ያሳያል።

የኦፕቲካል እና የሙቀት መረጋጋት

የኦፕቲካል ባህሪ ማሳያ እንደሚያሳየው PEDOT:PSS በዓይነት I ውስጥ ከባድ የሆነ የመምጠጥ ኪሳራ ያስከትላል፣ ነገር ግን የ In₂O₃ NC ፊልም በከፍተኛ ደረጃ የኦፕቲካል ግልጽነት አለው። በ 85°C የተፋጠነ የሙቀት እርጅና ውስጥ፣ የዓይነት I ሞጁል ውጤታማነት በ 50 ሰዓታት ውስጥ ከመጀመሪያው ዋጋ ከግማሽ በታች ወድቋል፣ በ NC ላይ የተመሰረቱ ዓይነት II እና ዓይነት III ደግሞ ከ 200 ሰዓታት በኋላ ወደ 75% የሚጠጋ የመጀመሪያ ውጤታማነት ጠብቀዋል። በ 10×10 ሴሜ² ንጣፍ ላይ፣ በቢላ የተሸፈኑ NC ፊልሞች ከቀጭን የሙቀት ትነት ከተቀመጡ Au ፊልሞች የበለጠ ወጥ የሆነ የኦፕቲካል መምጠጥ አሳይተዋል፣ ይህም በመጠን ሊሰራ በሚችል ማምረቻ ውስጥ የመፍትሄ-ሂደት ናኖክሪስታሎች ያለውን ተፈጥሯዊ ጥቅም ሙሉ በሙሉ ያሳያል።

ትልቅ-ስፋት ያለው የፔሮቭስኪት ፊልም አሰራርን ማመቻቸት

የTRJ የኦፕቲካል ኪሳራ እና አለመረጋጋት ከተፈታ በኋላ፣ ትልቅ ቦታ ያለው የPb-Sn ፔሮቭስኪት ፊልሞችን ወጥ የሆነ ማምረት ቀጣዩ ቴክኒካል እንቅፋት ሆነ። የተለመዱት የDMF/DMSO መሟሟቂ ስርዓቶች ከፍተኛ የመፍላት ነጥብ እና ዘገምተኛ ተለዋዋጭነት አላቸው፣ ስለዚህ በከፍተኛ ፍጥነት በሚደረግ የብሌድ ሽፋን ወቅት የኒውክሊየሽን ኪነቲክስ ይዘገያል፣ ይህም በትልልቅ ንጣፎች ላይ ወጥ የሆነ ፊልም ለመፍጠር አስቸጋሪ ያደርገዋል።

ይህንን ለመፍታት ቡድኑ በ2-ሜቶክሲኤታኖል (2-Me) እና በቴትራሃይድሮፉራን (THF) ላይ የተመሰረተ ሁለትዮሽ መሟሟቂ ስርዓት አዘጋጀ። ይህ ስርዓት ዝቅተኛ የመፍላት ነጥብ እና ከፍተኛ የእንፋሎት ግፊት ስላለው፣ በፍጥነት ወሳኝ ሱፐርሳቹሬሽን ላይ ይደርሳል እና ኒውክሊየሽንን በከፍተኛ ሁኔታ ያፋጥናል። እሱን በመጠቀም፣ የPb-Sn ፔሮቭስኪት የብሌድ ሽፋን ፍጥነት ከባህላዊው የDMF ስርዓት 5 ሚሜ/ሰ እስከ 30 ሚሜ/ሰ ከፍ ብሏል፣ ይህም በ10×10 ሴሜ² እና ከዚያ በላይ በሆኑ ንጣፎች ላይ ከፍተኛ ወጥ የሆነ የፎቶሉሚንሰንስ (PL) ጥንካሬ እና እጅግ በጣም ጥሩ የመሳሪያ ወጥነት አስገኝቷል። ይህ የትልቅ ቦታ ሽፋንን የክሪስታላይዜሽን ኪነቲክስ ፈተናን በተሳካ ሁኔታ አሸንፏል እና ከ65 ሴሜ² የመክፈቻ ቦታ ላይ የመጀመሪያ ደረጃ 17.5% የብቃት ማረጋገጫ አግኝቷል።

የገጽታ ሊጋንድ ኢንጂነሪንግ እና የኢነርጂ ደረጃ ተዛማጅነት

PEDOT:PSS ን ካስወገዱ በኋላ የኦፕቲካል ኪሳራ ቀንሷል ፣ ግን ክፍት-ሰርክዩት ቮልቴጅ (VOC) እና የመሙያ ፋክተር (FF) ቀንሰዋል ፣ ይህም በፔሮቭስኪት እና በኤንሲ ንብርብር መካከል ባለው የኢንተርፋሻል ትራንስፖርት መሰናክሎች እና ከራዲያቲቭ ያልሆነ ዳግም ውህደት ምክንያት ነው። ይህንን ለመፍታት ጥናቱ ድርብ ሲነርጅስቲክ ኦፕቲማይዜሽን ስትራቴጂ ተግባራዊ አድርጓል፦

የወለል ሊጋንድ ኢንጂነሪንግ የኢነርጂ ደረጃዎችን ለማስተካከል

በሊጋንድ ልውውጥ አማካኝነት MMES እና MMPA የ In₂O₃ NCs ን ወለል ለማሻሻል ጥቅም ላይ ውለዋል። የአልትራቫዮሌት ፎቶኤሌክትሮን ስፔክትሮስኮፒ (UPS) እንደሚያሳየው MMPA የተሻሻሉ In₂O₃ NCs ከዒላማው ፔሮቭስኪት ፊልም ጋር ተመራጭ የኢንተርፋሻል ባንድ መታጠፍ (ወደ ላይ ወደ 50 meV ያህል) ያስገኛሉ ፣ ይህም የቀዳዳ ማውጣትን በእጅጉ ያሻሽላል ፣ የ OAm ወይም MMES ማሻሻያ ግን ወደ ታች መታጠፍ እና የትራንስፖርት መሰናክል አስከትሏል። የስፔስ-ቻርጅ-የተገደበ ከረንት (SCLC) ሙከራዎች ማንኛውንም የሊጋንድ ጣልቃገብነት በሞቢሊቲ ላይ አላስተባበሉም ፣ ይህም የአፈጻጸም ትርፍ በዋናነት ከተመቻቸ የኢነርጂ-ደረጃ አሰላለፍ መሆኑን አረጋግጧል።

በፎስፖኒክ-አሲድ ቀዳዳ-መራጭ ቁሳቁስ (HSM) በጅምላ ዶፒንግ

ቡድኑ ፎስፎኒክ-አሲድ ኤችኤስኤምዎችን እንደ MeO-2PACz በቀጥታ ወደ ፒቢ-ኤስኤን ፔሮቭስኪት ቅድመ-ሁኔታ (በ0.2 ሞል% የተመቻቸ) ውስጥ በማካተት በይነገጽ ማሻሻያ ላይ ብቻ አልተገደቡም። ይህ የጅምላ ዶፒንግ ስትራቴጂ በትላልቅ ቦታዎች ላይ ያልተስተካከለ የኤስኤኤም ሽፋን ችግርን ያስወግዳል። ዩፒኤስ እንዳሳየው ከኤችኤስኤም ዶፒንግ በኋላ የፔሮቭስኪት ሥራ ተግባር ከ5.04 ኢቪ ወደ 4.81 ኢቪ ተቀየረ፣ ከፍተኛው የቫለንስ ባንድ ወደ ላይ ተንቀሳቀሰ፣ እና የ n-አይነት ባህሪ ተዳከመ፣ ይህም ከ In₂O₃ ኤንሲዎች የኃይል ደረጃዎች ጋር በተሻለ ሁኔታ እንዲዛመድ አድርጓል። የተገኘው ኤችቲኤል-ነጻ ነጠላ-መጋጠሚያ ፒቢ-ኤስኤን ሴል 23% ቅልጥፍና ላይ ደርሷል፣ ኢን₂ኦ₃-ኤምኤምፒኤ ኤንሲዎችን እንደ ቀዳዳ ማጓጓዣ ንብርብር (ኤችቲኤል) የሚጠቀም ብሌድ-ሽፋን ያለው መሳሪያ ደግሞ 24.0% የተገላቢጦሽ-ቅኝት ቅልጥፍና ከፍተኛ የሆነ JSC 33.8 mA cm⁻² አግኝቷል።

የኤችኤስኤም በፔሮቭስኪት ፊልም ላይ ያላቸው በርካታ ሚናዎች

የኤችኤስኤም ሚና ከኃይል ማጓጓዝ በላይ ነው — በፊልም ክሪስታላይዜሽን እና ጉድለት ማስተካከያ ላይ ከፍተኛ ተጽዕኖ ያሳድራል።

የክሪስታላይዜሽን ቁጥጥር እና የጉድለት መገዳደር

የስካኒንግ ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፒ (SEM) እንዳሳየው ከHSM ዶፒንግ በኋላ በPb-Sn ፊልም ውስጥ የድንበር እህሎችን የሚያቋርጡ የዴንድሪቲክ ቆሻሻዎች ጠፍተዋል፣ የእህል መጠን በሚታይ ሁኔታ አድጓል፣ እና የእህል ድንበሮች “የተዋሃዱ” መልክ ወስደዋል። GIWAXS እና XRD ኤችኤስኤም የPbI₂ ቆሻሻ-ደረጃ ምስረታን ውጤታማ በሆነ መንገድ እንደሚገታ አረጋግጠዋል። ፈሳሽ-ሁኔታ ¹H NMR በተጨማሪ ኤችኤስኤም በተመረጠ ዲፕሮቶኔሽን አማካኝነት ነፃ አሲዳማ ፎስፖኒክ ቡድኖችን እንደሚበላ ገልጧል፣ በዚህም የኤፍኤ⁺ ካቴሽን አሲዳማ ዲፕሮቶኔሽን በመከላከል የቅድሚያ ኬሚስትሪውን ያረጋጋል።

የተሻሻለ የኃይል አጓጓዥ ተለዋዋጭነት

ጊዜያዊ የመምጠጥ ስፔክትሮስኮፒ (TAS) እንዳሳየው ከHSM ዶፒንግ በኋላ ጉድለት-የታገዘ ራዲያቲቭ ያልሆነ ዳግም ውህደት በሚታይ ሁኔታ ታፍኗል። የቋሚ ሁኔታ PL ጥንካሬ በከፍተኛ ሁኔታ ጨምሯል፣ አማካይ የPL የህይወት ዘመን ከ1042 ns ወደ 1889 ns ተራዝሟል፣ በተለይም በታችኛው በይነገጽ ላይ ጠንካራ ፓሲቬሽን ያለው፣ ይህም በተቀበረ በይነገጽ ላይ የኃይል መሙላትን ውጤታማ በሆነ መንገድ ይቀንሳል። OPTP ስፔክትሮስኮፒ እንዳሳየው የታለመው ፊልም የኃይል አጓጓዥ ተንቀሳቃሽነት ከ20 cm² V⁻¹ s⁻¹ ወደ 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ ከፍ ብሏል እና የስርጭት ርዝመት ከ2.65 μm ወደ 4.78 μm አድጓል፣ ይህም የጅምላ ፊልም ጥራት አጠቃላይ መሻሻል አረጋግጧል።

ትልቅ-አካባቢ ሞዱል አፈጻጸም እና መረጋጋት

እነዚህ ተመሳሳይ ስልቶች ላይ በመገንባት ቡድኑ የ 65 ሴሜ² ክፍት ቦታ (14 ንዑስ ሴሎች በተከታታይ) ያለው ሁሉን-ፔሮቭስኪት ታንደም ሞጁል ሠራ። የ III ዓይነት (In₂O₃-MMPA) TRJ የተጠቀመው ሻምፒዮን ሞጁል በላብራቶሪ የተሞከረ 26.6% ቅልጥፍና (የተገላቢጦሽ ቅኝት) ደርሷል፣ VOC 30.4 ቮልት፣ JSC 1.12 mA ሴሜ⁻² እና FF 78.2% ነበር። የ JET የተረጋገጠው የተረጋጋ ቅልጥፍና 26.2% ደርሷል፣ ይህም የተለመደውን የ I ዓይነት TRJ (24.8%) የተጠቀመውን የቁጥጥር ሞጁል በግልጽ አሸንፏል። ከሞት ዞን ማመቻቸት በኋላ የጂኦሜትሪክ መሙያ ምክንያት 96.5% ደርሷል፣ ይህም ከፍተኛ 27.6% የሆነ ተመጣጣኝ ንቁ-ቦታ ቅልጥፍና ሰጥቷል። የ EQE የቦታ ካርታ ስራ እንደሚያሳየው በ16 የተለያዩ ቦታዎች ላይ የላይኛው እና የታችኛው ንዑስ ሴሎች የተዋሃዱ የአሁን እፍጋቶች በአማካይ 16.3 እና 16.2 mA ሴሜ⁻² ነበሩ — ከ J-V ውጤቶች ጋር በቅርብ የሚመሳሰሉ እና ሁለቱም ከዚህ ቀደም የተዘገበውን ከ15 mA ሴሜ⁻² በታች የሆነውን የሞጁል ማነቆ ይሰብራሉ።

ከአስተማማኝነት አንፃር፣ የ IEC 61215:2021 ደረጃን በመከተል፣ የታሸገው ዓይነት III ሞጁል በተከታታይ 1-ፀሐይ MPP ክትትል ስር የ T90 የህይወት ዘመን (90% የመጀመሪያ ቅልጥፍናን በመያዝ) 771 ሰአታት ደርሷል፣ እና ከ1000 ሰአታት በኋላ አሁንም 82.5% ቅልጥፍና ይዟል። በከባድ የ85°C/85% RH እርጥብ-ሙቀት ሙከራ (ISOS-D-3) ውስጥ፣ ዓይነት III ሞጁል አማካይ የ T84 የህይወት ዘመን 1000 ሰአታት ደርሷል፣ ዓይነት I ሞጁል ደግሞ ቀድሞውኑ ከ40% በታች ቅልጥፍና ላይ ወድቋል፤ በ -40°C እስከ 85°C የሙቀት ዑደት ሙከራ (ISOS-T-3) ውስጥ፣ ዓይነት III ሞጁል ከ200 ዑደቶች በኋላ 93% የመጀመሪያ ቅልጥፍናን ይዟል። ሁሉም የተፋጠነ እርጅና ሙከራዎች የዓይነት III ልዩ መረጋጋት በ PEDOT:PSS የሚቀሰቀሱትን አለመረጋጋት ምክንያቶች ሙሉ በሙሉ በማስወገድ መሆኑን አረጋግጠዋል።

በገጽታ ምህንድስና በተዘጋጁ In₂O₃ ናኖክሪስታል ዳግም ውህደት መጋጠሚያዎች እና በተቀናጀ የጅምላ/ወለል HSM ምህንድስና አማካኝነት ይህ ሥራ በ65 ሴሜ² ክፍት ቦታ ላይ 26.2% የተረጋገጠ ውጤታማነት ያለው ሁሉን-ፔሮቭስኪት ታንደም የፀሐይ ሞጁል በማሳካት በሞጁል መጠን፣ ውጤታማነት እና የአሠራር መረጋጋት ላይ አጠቃላይ እመርታዎችን አስመዝግቧል። ሥራው የሁሉን-ፔሮቭስኪት ታንደም የፎቶቮልታይክ ቴክኖሎጂ የንግድ አቅምን በጥብቅ ያሳያል። ወደፊት ሲታይ፣ የሞጁሉን ቦታ ከ800 ሴሜ² በላይ ማሳደግ ከቫኩም የታገዘ ክሪስታላይዜሽን ያሉ ዘዴዎች ጋር በመሆን እንደ ስሎት-ዳይ ሽፋን ያሉ የማስቀመጫ ሂደቶችን በተቀናጀ መልኩ ማመቻቸትን ይጠይቃል፣ ይህም ከፍተኛ ጥራት ያለው እና ወጥ የሆነ ሰፊ እና ጠባብ ባንድጋፕ ንዑስ ሴሎችን ለማምረት ያስችላል።

ማጣቀሻ እና የሙከራ መሣሪያ

የተቀናጀ ፐሮቭስካይት MPPT ሞካሪ የA+AA+ ደረጃ የፀሐይ ሲሙሌተር እንደ እርጅና ምንጭ በመጠቀም ለፐሮቭስካይት የፀሐይ ሴል ምርምር በላቀ ቴክኖሎጂ እና በተለያዩ ተግባራት ጠንካራ ድጋፍ ይሰጣል። እንደነዚህ ያሉ መሳሪያዎች በዋናነት ለተጠናቀቁ ፐሮቭስካይት ነጠላ-መጋጠሚያ እና ታንደም ሴሎች የመረጋጋት ሙከራ ያገለግላሉ። የፐሮቭስካይት ሴሎች የውጤት ባህሪያት እንደ ብርሃን እና የሙቀት መጠን ባሉ የአካባቢ ሁኔታዎች በቀላሉ ስለሚጎዱ፣ ከፍተኛው የኃይል ነጥብ በተደጋጋሚ ይለዋወጣል። አንድ MPPT ተቆጣጣሪ ከፍተኛውን የኃይል ነጥብ በቅጽበት ይከታተላል እና ይቆልፋል፣ ስርዓቱ ሁልጊዜ በተመቻቸ የኃይል ውጤት እንዲሰራ ያደርጋል።

ማጣቀሻ፡ ናኖክሪስታል-የተበጀ ዳግም ውህደት ለሁሉም-ፐሮቭስካይት ታንደም የፀሐይ ሞጁሎች

የOoitech እይታ

Ooitech ያምናል፡ በላይ ላይ የተሰሩ In₂O₃ ናኖክሪስታል ዳግም ውህደት መጋጠሚያዎች ከHSM ጅምላ/የገጽታ ምህንድስና ጋር ተደምረው ትላልቅ ቦታ ያላቸው ሁሉም-ፐሮቭስካይት ታንደም ሞጁሎችን ወደ የተረጋገጠ 26.2% ብቃት አምጥተዋል፣ ይህም ቴክኖሎጂውን ወደ ንግድ ለማስገባት ወሳኝ እርምጃ አቅርቧል።