33.25% 効率、1000時間後にMPPT保持率96%：

簡単な回答： ペロブスカイト-シリコンタンデムセルは、1000時間のテスト後も最大電力点の96%を維持しながら、33.25%の効率に達しました。この組み合わせがポイントです。タンデム効率記録はもはや制約ではなく、安定性が制約です。このセルは、ペロブスカイト上部接合をシリコン下部接合の上に積層し、それぞれが最もよく変換するスペクトル部分を吸収します。これにより、単接合シリコンセルの約27%の上限をはるかに超える効率が実現します。安定性の結果には、85 °Cでの耐湿熱暴露が含まれ、測定には約400 nm、750 nm、1150 nmのスペクトル範囲が使用されました。モジュール製造では、タンデムセルはシリコン単体よりも厳しいラミネーションウィンドウを課します。これは、ペロブスカイト層がその下のシリコンよりも湿気と温度に敏感であるためです。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

製品紹介

ペロブスカイト/シリコンタンデムセルはすでに35%の効率に達しています。問題は安定性です。これらのデバイスは商業化に必要な25年の寿命にはまだ遠く、根本原因は界面にあります。そこに電荷が蓄積し、その蓄積が酸化還元反応とイオン移動を引き起こします。

広く使用されているALD-SnOx電子輸送層は、その高い抵抗率のために膜厚のトレードオフに直面します。厚すぎると直列抵抗が上昇します。薄すぎるとスパッタダメージやイオン拡散をブロックできません。これを研究するために、AAAグレードのLEDを劣化光源として使用するペロブスカイト複合MPPTテスターは、いくつかの方法でセル温度を制御し、周囲環境を管理して、長期安定性試験を実行できます。 ジャンクションボックスは、セル回路からの電気出力を集め、モジュールと外部PVシステム間の接続を提供します。それは ALD二層膜はペロブスカイト/シリコンタンデムデバイスに統合されました。HAADF-STEMは、SnOxが約10 nm、AZOが約60 nmの連続した緻密な二層膜を示し、ピンホールや層間剥離はありませんでした。HR-TEMはSnOxがアモルファスであることを確認し、EDSはAZO中の均一なZn分布を示しました。

この研究は、全ALDプロセスを通じてSnOx/AZO二層膜を構築します。超薄SnOxはバンドアライメントを維持し、導電性AZO層は低抵抗経路を提供し、緻密なバリアとして機能します。これにより、電荷抽出と物理的ブロッキングが2つの別々の役割に分割されます。この構造を持つ単接合ワイドバンドギャップペロブスカイトセルは23.47%の効率に達し、タンデムデバイスは33.25%を達成しました。1000時間の連続照射後も初期効率の96%を維持しており、これは界面戦略を裏付けています。

技術パラメータ

ペロブスカイト複合MPPTテスタ仕様

技術的優位性

ALD二層膜の作製と電気的性能

単接合テストでは、SnOxは150サイクルで最良の性能を示した。厚くすると直列抵抗が増加し、フィルファクターが低下した。抵抗率の限界を緩和するため、著者らはALD成長AZO中間層を追加した。2つのスタックを比較した：250サイクルのSnOx対100サイクルのSnOx＋400サイクルのAZO。

J-V測定により、SnOx/AZOの組み合わせがデバイス性能を向上させることが示された。エネルギー準位解析では、伝導帯下端がSnOxからAZO、IZOへと段階的に下がり、より有利な階段状バンドアライメントを形成して界面抽出障壁を低下させることが判明した。c-AFMでは、SnOx/AZOおよび純AZOが純SnOxよりもはるかに良好に導電することが示された。KPFMでは、SnOx/AZOペロブスカイト膜上でより均一な表面電位とより低い欠陥密度が示された。過渡吸収分光法により、SnOx/AZOでのより速いキャリア抽出が確認された。

ALD層が劣化を抑制

85°C、光照下で400時間のエージング後、SnOxサンプルはUV-visでより強いヨウ化鉛吸収、XRDで金属Pb⁰回折ピーク、断面SEMで界面ボイドとバルク損失を示した。SnOx/AZOサンプルでは、これらの劣化兆候ははるかに弱かった。TOF-SIMSでは、SnOxデバイスでペロブスカイト層への激しいAg侵入と深刻なI⁻拡散が示されたが、SnOx/AZOデバイスでは明らかなイオン拡散は見られなかった。

85% RHで7日間後、SnOx被覆膜は黄色のδ相を生じたが、SnOx/AZOは黒色を維持した。PLQY測定では、SnOx/AZOのエージング後に非放射再結合損失がより低く、PLQY保持率がより高いことが示された。KPFMでは、エージングしたSnOxサンプルで表面欠陥密度が大きく跳ね上がったが、SnOx/AZOはほとんど変化しなかった。

製品応用

単接合セルの性能と安定性

ITO / NiOx / Me-4PACz / ペロブスカイト / C60 / ALD層 / Agの構造を持つ単接合デバイスにおいて、SnOx/AZOのチャンピオンは23.47%の効率、VOC 1.27 V、FF 83.92%、JSC 22.07 mA/cm²に達し、ヒステリシスは明らかに低減された。EQE積分電流密度は21.62 mA/cm²で、SnOxデバイスの20.92 mA/cm²を上回った。安定化出力は23.12%であった。Urbachエネルギーは13.11 meVで、SnOxデバイスの16.38 meVを下回った。

安定性について、85°Cで1100時間の暗所エージング後、SnOx/AZOは初期効率の90%以上を維持したが、SnOxは600時間で85%まで低下した。85°C、光照下では、SnOx/AZOは300時間後も80%以上を維持したが、SnOxは200時間後に60%未満に低下した。MPPTテストでは、SnOx/AZOは2000時間後も96%を維持したが、SnOxは700時間後に80%まで低下した。

タンデムセルの性能と安定性

The ALD bilayer was integrated into a perovskite/TOPCon シリコンタンデムデバイス。HAADF-STEMでは、SnOxが約10 nm、AZOが約60 nmの連続した緻密な二層構造が示され、ピンホールや層間剥離は見られなかった。HR-TEMによりSnOxがアモルファスであることが確認され、EDSではAZO中のZnが均一に分布していることが示された。

チャンピオンタンデムデバイスは33.25%の効率、VOC 1.98 V、JSC 20.83 mA/cm²、FF 80.71%に達し、ヒステリシスはほとんどなかった。EQEではトップセルとボトムセルの光電流がそれぞれ20.43および20.40 mA/cm²であり、良好に一致していた。安定化出力は32.38%であった。

85°Cでの1000時間の熱エージング後、SnOx/AZOは90%以上の効率を維持したが、SnOxは400時間以内に90%未満に低下した。湿熱試験（ダブル85）では、SnOx/AZOは400時間後も92%以上を維持したが、SnOxは200時間以内に80%未満に低下した。1000時間の連続照射後、SnOx/AZOは96%以上を維持したが、SnOxは300時間以内に80%未満に低下した。

メカニズムのまとめ

SnOx/AZO二層膜の利点は2つの点に集約される。導電性のAZOキャップは電子抽出を加速し、界面電荷蓄積を低減することで、反応駆動型の界面劣化を抑制する。同時に、緻密な二層膜は効果的なイオンおよび水分バリアとして機能し、ヨウ化物誘起の銀腐食とペロブスカイトへのAg⁺マイグレーションを抑え込む。電子抽出の高速化と物理的イオンブロッキングが組み合わさることで「機能的デカップリング」メカニズムが生まれ、2つの効果が相まってデバイスの耐久性を強化する。

本研究では、全ALD SnOx/AZO二層膜を用いてペロブスカイト/シリコンタンデムセルにおける界面反応駆動型劣化を抑制する。この二層膜は、SnOxの良好なバンドアライメントとAZOの高い導電性および緻密なバリア機能を組み合わせ、電荷蓄積を低減し、イオン拡散と水分侵入を抑え込む。単接合デバイスは23.47%の効率、タンデムデバイスは33.25%に達し、両者とも1000時間のMPPT後も初期効率の96%以上を維持した。これは、高効率で安定したペロブスカイト/シリコンタンデムPVの構築に界面エンジニアリングがいかに重要であるかを示し、高効率かつ高耐久のセルへの現実的な道筋を指し示している。

A+AA+ LEDソーラーシミュレータをエージング光源として構築されたペロブスカイト複合MPPTテスタは、ペロブスカイト太陽電池研究に強力な支援を提供する。ペロブスカイトセルは光と温度に非常に敏感であるため、その最大電力点は絶えず変動する。MPPTコントローラはその点をリアルタイムで追跡・固定するため、システムは常に最適な電力で出力する。これによりエネルギー収量が最大化され、PVシステム全体の安定性と経済性が向上する。

参考：全ALD SnOx/AZO二重層によるペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池の界面反応の抑制

Ooitechの見解

ここで際立っているのは「機能的分離」という考え方で、単一のSnOx膜に両方の役割を無理に担わせてどちらかで妥協するのではなく、一方の薄層がバンドアライメントを、もう一方がブロッキングを担うようにするものです。生産面では、フルサイズモジュール全体にわたるALDスタックの均一性こそが、ライン制御と計測が重要になるまさにポイントであり、モジュールラインを構築する際に私たちが徹底的にこだわる種類のプロセス詳細です。ペロブスカイトおよびタンデムモジュール製造が工場の現場で実際にどのように統合されるかをもっとご覧になりたい場合は、OoitechのYouTubeチャンネル（www.youtube.com/ooitech）をフォローする価値があります。