% 10.1 sertifikalı verimliliğe sahip çözüm işlenmiş Kesterit güneş modülü

Çözüm işleme, organik ve hibrid perovskit güneş pillerinde başarı gösteren ortaya çıkan ince film güneş hücreleri için büyük avantajdır. Kesterit yapılandırılmış cu₂Znsn (S, SE)₄ (CZTSSE), çevre dostu temel bileşimi, yüksek teorik verimliliği ve yüksek emilim katsayısı nedeniyle son derece umut verici bir yeşil ince film teknolojisi olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, çözücü buharlaşması sırasında organik veya perovskit ince filmlerin nispeten basit oluşumunun aksine, çok elemanlı CZTSSE ince filminin çözelti tabanlı imalatı iki kritik adım içerir: öncü biriktirme ve yüksek sıcaklık kristalleşmesi (selenizasyon). Bu net görünen yol, çok fazlı füzyon reaksiyonlarının, filmde bileşimsel homojenliğe ve elektronik özellik dalgalanmalarına kolayca neden olduğu ve CZTSSE güneş hücrelerinin verimliliğinin arttırılması ve sanayileşmesinin önünde bir engel haline getirdiği önemli bir tuzak gizliyor.
CU'ya dayalı doğrudan faz dönüşüm kristalizasyonu elde etmek için bir atılım yaptık⁺-Sn⁴⁺ Çözüm yöntemi (Şekil 1A), CZTSSE güneş hücresi verimliliğini% 12.6'da neredeyse on yıllık durgunluktan sonra% 13'e iterek, üretim üniforma ve tekrarlanabilir büyük alan güneş modülünün pratik uygulamasına yönelik kritik adımda bir aksilikle karşılaştık. İlk fabrikasyon CZTSSE modülümüzün verimliliği, şaşırtıcı bir hücre-modüle güç dönüşüm verimliliği (CTM_PCE)%56.81 kaybı, bu da laboratuvardaki yüksek verimli küçük alan hücrelerinin başarısının, yüksek kaliteli büyük ölçekli emici filmler üretmeye eşdeğer olmaktan uzak olduğunu ortaya koymaktadır.
Ayrıca, büyük hücre-modüle kayıp için derinlemesine bir keşif başlattık. Film morfolojisi ve element dağılımının karakterizasyonu ve analizi yoluyla, kristalizasyon sürecinin farklı aşamasında önemli bir sorun ortaya çıktı: Selenizasyonun erken aşamasında, filmin yüzeyinde sert bir kabuk olarak görünmez bir engel görevi gören ve filmin içe doğru penetrasyonunu ciddi şekilde engelleyen yoğun bir kristalin tabaka oluşur. Bu, tahıl büyümesini dikey yönde engeller ve zayıf film homojenliği ve yüksek yüzey pürüzlülüğü ile sonuçlanır (Şekil 1C). Tek tip olmayan emici film, önceki modüllerimizin düşük performansı ve büyük CTM kaybını oluşturan verimli ve büyük alan cihazlarının üretimini destekleyemez.

Şekil 1. Çözelti işlenmiş Kesterit güneş pillerinin tekdüzeliği. (a) Öncül çözeltinin resmi. (b) SLG/MO/CZTSSSE/CDS/ZNO/ITO/Ni/Al konfigürasyonu ile Kesterit güneş hücresinin gösterimi. (c) TRU/M oranı 1,5 (TU1.5) ve 1.7 (TU1.7) olan, tahıl büyümesinin (selenizasyon) farklı aşamalarında üst görüntü ve kesitsel SEM görüntüleri. (d) İstatistiksel fotovoltaik parametrelerin grafikleri (PCE, FF, V_Ocve j_SC)) TU1.5 ve TU1.7 güneş pilleri. Her koşul için bir partide üretilen 4 substrat üzerindeki toplam 140 cihaz (her biri 35 cihaz içerir) dahildir. Kutu grafiği medyan (orta çizgi), ortalama değer (nokta), 25. (kutunun alt kenarı), 75. (kutunun üst kenarı), 95. (üst bıyık) ve 5. (alt bıyık) yüzdelikleri gösterir. (e) TU1.7 için bir substrat üzerindeki 35 hücrenin cihaz parametresi dağılımının kontur grafikleri.
Sorun tanımlandı, ancak nasıl çözülür? Öncül filmin mikro yapısını değiştirebilir ve gözenekliliğini düzenleyebilirsek, selenizasyonun erken aşamasında yoğun bir üst katmanın hızlı bir şekilde oluşumunu önlemek ve sonraki SE geçirgenliği için daha fazla alan ve yanal tane büyümesi için daha fazla zaman yaratırsak, film düzgünlüğünü geliştiremeyebiliriz. Öncül filmin mikro yapısı, öncü çözeltinin bileşimine yakından bağlantılıdır. Thiourea (TU), termal ayrışma sırasında ayrışan ve filmden gelen uçucu gazları serbest bırakan öncü çözeltideki organik öncü ve S kaynağıdır. Bu nedenle, öncü çözeltideki TU'nun metal iyonlarına oranını sistematik olarak düzenleriz ve film morfolojisini araştırırız. Sonuçlar cesaret vericiydi: TU içeriğini arttırdıktan sonra, öncü film daha gözenekli ve daha gevşek hale geldi, bu da selenizasyonun erken bir aşamasında daha gevşek bir kristal katman oluşumunu sağladı, bu da daha fazla SE'nin film yığınına girmesine ve yanal tahıl büyümesi için daha fazla yer sağlayan ve nihayetinde cztsssser emzirme için daha fazla yer sağladı.

Şekil 2. Kesterit modül yapısı modifikasyonu ve hücre – modüle (CTM) kayıplar. (a) Modül yapısı ve yapı modifikasyonu (SM) karikatürü. Siyah noktalı çizgi akımın akışıdır. (b) (M) olmayan birincil modülün IV eğrileri ve antirefektif kaplama (M-ARC), (M-SM) olmadan yapı modifikasyonundan sonra modül ve ARC (M-SM-ARC). (c) NREL sertifikalı% 10.08 verimli Kesterit modülünün IV eğrisi. (d) Sertifikalı modülün ön tarafının resmi. Alan maske tarafından tanımlanmıştır. (e) Ortaya çıkan ince film güneş modüllerinin (perovskit, organik ve CIGS) CTM kayıplarının karşılaştırılması.
Emici filmin gelişmiş tekdüzeliğine dayanarak, tek hücreler için ortalama% 13,4'lük bir verimlilik elde ettik (0.1 cm'lik aktif alan²çok düşük standart sapma (Şekil 1D) ve% 8.91 verimlilik güneş modülü ile. Ama bu son değildi. Ideal olmayan teması ve şant neden seri direncini azaltmak için modül yapısını daha da değiştirdik, bu da% 10,1 verimli (Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, NREL) güneş modülü (10.48 cm diyafram alanı ile²) düşük bir CTM ile_PCE % 25.3 ve V'deki en düşük CTM kaybı_Oc (%0.93) ve j_SC (%7.03) son teknoloji ürünü ortaya çıkan ince film güneş modülleri arasında (Şekil 2).
Bu sadece ilk kayıt verimliliği çözümü ile işlenen CZTSSE modülü değil, aynı zamanda inorganik ince filmlerin üretiminde altta yatan zorlukları anlama ve çözme yolculuğudur. Bu çalışma, yüksek performanslı büyük alanlı inorganik ince film güneş pilleri ve modüllerinin çözelti işlenmesi için net ve uygulanabilir bir teknik yol sağlar.