Las células solares en tándem de perovskita/silicio se han convertido en un foco de investigación en el campo fotovoltaico debido a su eficiencia teórica superior al 40 %. Sin embargo, la pérdida óptica de los electrodos transparentes (como la reflexión y la absorción parásita) limita considerablemente la mejora de la densidad de corriente de cortocircuito (JSC). Los óxidos conductores transparentes monocapa tradicionales (TCO), como el IZO (óxido de indio dopado con zinc) y el IZrO (óxido de indio dopado con circonio), presentan problemas como baja cristalinidad y movilidad insuficiente de los portadores.

Este estudio diseñó películas multicapa IZrO/IZO, combinadas con estrategias antirreflejo de índice de refracción de gradiente, y utilizó el probador de espesor de película de perovskita Meineng para monitorear el proceso de deposición de la película en tiempo real, optimizar el rendimiento del electrodo y, en última instancia, promover la eficiencia de las celdas tándem para superar el 30%.

Optimización del espesor de películas multicapa IZrO/IZO

Diagrama esquemático de la estructura del tándem perovskita/silicio de tipo PIN de textura completa celúla

El equipo de investigación utilizó tecnología de pulverización catódica por magnetrón de radiofrecuencia para depositar alternativamente capas de IZrO3 e IZO3 sobre un sustrato de vidrio con un espesor total de 80 nm. Los parámetros clave del proceso son los siguientes:

Capa IZO: presión de pulverización catódica 1,5 mTorr, densidad de potencia 2,2 W/cm², presión parcial de oxígeno 3%;

Capa de IZrO: presión de pulverización catódica 0,9 mTorr, densidad de potencia 3,1 W/cm², presión parcial de oxígeno 0,06 %.

La cristalinidad y las propiedades optoelectrónicas de la película se optimizan ajustando la relación de espesor (por ejemplo, IZrO:IZO = 45:35 nm). El análisis de XRD muestra que la película multicapa presenta una estructura de doble orientación (222) y (400), con un tamaño de grano de 50-70 nm, lo que reduce significativamente la dispersión en los límites de grano.

Proceso de preparación del tándem perovskita/silicio celúla

Procesamiento de la celda inferior: se depositan ITO de 20 nm en la celda inferior de heterojunción de silicio texturizado (SHJ) como una unión de túnel;

Capa de transporte de huecos: se pulveriza NiOx de 30 nm y se introduce una monocapa autoensamblada (SAM) de 2PACz;

Capa absorbente de perovskita: la película de perovskita se deposita mediante el método de solución;

Capa de transporte de electrones: se evapora GeO de 15 nm y se deposita atómicamente SnO₂ de 20 nm (ALD);

Integración de electrodos transparentes: se utiliza una película multicapa de IZrO/IZO pulverizada (45/35 nm) como electrodo superior;

Electrodo metálico: la línea de rejilla Ag se evapora térmicamente y el área activa se calibra a 1,05 cm².

Defectos de rendimiento de la película monocapa

(b) Comparación de la transmitancia óptica de películas monocapa de IZO e IZrO; (c) Curva JV de celdas apiladas con electrodos transparentes monocapa de IZO; (d) Curva JV de celdas apiladas con electrodos transparentes monocapa de IZrO; (e) Espectros EQE de celdas campeonas que utilizan electrodos transparentes monocapa de IZO e IZrO

Rendimiento óptico:

La transmitancia media de IZO en la región de luz visible (400-800 nm) es del 80,05%, y la transmitancia en la región del infrarrojo cercano (800-1200 nm) es ligeramente inferior;

La transmitancia de IZrO en la región de luz visible alcanza el 81,25%, pero la transmitancia en la región del infrarrojo cercano es insuficiente.

Cuello de botella eléctrico:

El IZO tiene una baja movilidad de portadores debido a su estructura amorfa, con una resistencia laminar de 60,5 Ω·sq⁻¹;

El IZrO tiene una baja concentración de portadores (n = 4,81 u×1020cm-3), con una resistencia laminar de 71,5 Ω·sq⁻¹.

celúla actuación:

El voltaje de circuito abierto (VOC) < 1900 mV) y factor de llenado (FF < 79,4%) de electrodo monocapa células son limitados y el PCE no supera el 29,5%.

Optimización del rendimiento de películas multicapa

Características de cristalización y propiedades fotoeléctricas de películas multicapa de IZrO/IZO

(a) Movilidad de portadores, resistencia laminar y concentración de portadores; (b) Resistencia laminar; (c) Patrón de difracción de rayos X (DRX); (d) Imagen SEM de sección transversal de una película monocapa de IZrO; (e) Imagen SEM de sección transversal de una película multicapa de IZrO/IZO; (f) Comparación de la transmitancia óptica de una película multicapa de IZrO/IZO

La película multicapa optimizada (45/35 nm) funciona de la siguiente manera:

Propiedades eléctricas: movilidad del portador, resistencia laminar Rsq = 56,7 Ω·sq⁻¹, mejor que la película de una sola capa;

Cristalinidad mejorada: la estructura de doble orientación reduce la dispersión de los límites de grano y el tamaño del grano aumenta a 50-70 nm.

El efecto del índice de refracción del gradiente sobre la reflectividad y la absorción parásita

(a) Índice de refracción y coeficiente de extinción de la película de IZO, la película monocapa de IZrO y la capa tampón de SnO₂; (b) Diagrama de la trayectoria de la luz incidente de celdas apiladas con electrodos transparentes multicapa de IZrO/IZO; (c) Comparación de la reflectividad óptica; (d) Comparación de la transmitancia óptica; (e) Comparación del coeficiente de absorción óptica; (f) Comparación del factor de calidad de IZO, la película monocapa de IZrO y la película multicapa de IZrO/IZO.

Diseño de índice de refracción de gradiente: IZrO (n ≈ 1,9), IZO (n ≈ 1,8) y la capa amortiguadora SnO₂ (n ≈ 1,6) forman un gradiente de índice de refracción continuo y la reflectividad es un 3,11 % menor que la de la película de una sola capa;

Ventaja de transmitancia: la transmitancia promedio de toda la banda alcanza el 81,68% y el coeficiente de absorción parásita se reduce entre un 10 y un 15%.

Las diferentes relaciones de espesor tienen un impacto significativo en el rendimiento de la película.

IZrO:IZO = 30:50 nm: la rugosidad de la superficie de la película aumenta (RMS > 5 nm), lo que hace que la transmitancia caiga al 78,3%;

IZrO:IZO = 50:30 nm: transmitancia insuficiente en la región del infrarrojo cercano (transmitancia promedio de 800-1200 nm 76,2%);

Relación óptima 45:35 nm: la transmitancia promedio en toda la banda alcanza el 81,68%, la rugosidad de la superficie cae a 3,2 nm (prueba AFM) y el tamaño de grano es uniforme (50-70 nm).

Rendimiento mejorado de celdas apiladas

Rendimiento fotovoltaico de la celda campeona (a) La curva JV muestra una eficiencia del 30,74 %; (b) El espectro EQE muestra la correspondencia de corriente entre las celdas superior e inferior

Indicadores clave de celdas apiladas que utilizan electrodos multicapa IZrO/IZO:

JSC: 19,86 mA/cm² (adaptación de corriente integrada EQE > 99%);

VOC: 1916 mV (baja resistencia reduce la pérdida de voltaje);

FF: 80,75 % (la coincidencia del nivel de energía reduce la recombinación no radiativa);

PCE: 30,74% (una de las eficiencias más altas de electrodos TCO pulverizados a temperatura ambiente).

Este estudio mejoró significativamente el rendimiento fotoeléctrico de electrodos transparentes mediante el diseño de película multicapa IZrO/IZO, combinado con la optimización de red y una estrategia de gradiente de índice de refracción. La eficiencia de las celdas apiladas superó el 30%, lo que confirma el potencial de industrialización del electrodo.