ペロブスカイト/シリコンタンデムセル：8nm ITO相互接続層が31.80%の効率を達成
目次
製品紹介
モノリシックペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池は、単接合デバイスの効率限界を超える最も明確な経路の一つです。トップセルとボトムセルは再結合相互接続層を介して直列に接続されており、その界面の品質がキャリアの輸送と再結合の円滑さを決定します。問題はシリコンヘテロ接合（SHJ）ボトムセルのマイクロピラミッドテクスチャ表面にあります。ピラミッドの高さは約600 nmで、その地形上では再結合層が光学的寄生損失を受け、自己組織化単分子膜（SAM）が均一に広がりません。時間の経過とともに、これがデバイス性能を低下させます。
本研究では、2〜30 nmの厚さのインジウムスズ酸化物（ITO）相互接続層を測定し、超薄型8 nm層が光学的損失の低減と表面電位均一性の向上の両面で最適に機能することを発見しました。NiOx修飾とPoly-SAM機能化を積層した後、短絡電流密度は0.85 mA cm⁻²上昇して20.82 mA cm⁻²に達し、電力変換効率は31.80%に達し、500時間の最大電力点追跡後もデバイスは初期効率の96%を維持しました。
実験方法
SHJボトムセルにはn型シリコンウェーハ（厚さ110 ± 10 µm）を使用し、KOHで両面テクスチャ加工して約600 nmのピラミッドを形成しました。RCA洗浄後、PECVDによりパッシベーション層とドープ層を順次堆積しました。前面には8 nmの真性a-Si:H(i)と15 nmのn型nc-SiOx:H(n)、背面には8 nmのp型a-Si:H(p)を堆積し、その後背面に110 nmのITOをスパッタリングし、700 nmのAgを蒸着しました。前面には、2、5、8、10、20、30 nmの6種類のITO相互接続厚さを個別に堆積し、180°Cでアニールし、レーザースクライブしました。
ペロブスカイトトップセルはこの経路に従いました。ボトムセルは最初にアニールとUVオゾン処理を行い、次にNiOxをマグネトロンスパッタリングで堆積し、さらにアニールとUVオゾン処理を行いました。窒素グローブボックス内で、Poly-SAMをスピンコート（0.5 mg mL⁻¹、溶媒はメタノールとクロロベンゼンを1:1）し、100°Cでアニールしました。ペロブスカイトはCs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃で、バンドギャップ1.68 eV、2段階でスピンコートし、高速段階でクロロベンゼンを逆溶媒として滴下し、100°Cで20分間ベークしました。表面をPDADIで処理し、次にC₆₀を熱蒸着、SnO₂をALDで成長、45 nmのIZOをスパッタリング、Ag電極を蒸着し、最後にMgF₂反射防止膜でスタックをキャップしました。
技術的優位性
ITO相互接続層の光電子特性
(a) 厚さに対するRsh、Ne、µ（n = 10）；(b) ITO層の光吸収率と反射率；(c) 厚さに対する仕事関数；(d) 異なる厚さでのNiOx処理前後の仕事関数シフト（ΔWF）；(e) NiOx修飾ITO上のSAM分布の模式図；(f) 2～30 nm相互接続ITOのKPFM表面電位マップ；(g) NiOxおよびPoly-SAM官能化前後の8 nm相互接続ITOのKPFM表面電位マップ。
ホール効果測定により、膜厚が増加するにつれてシート抵抗が低下することが示されました。これは予想される結果です。キャリア濃度は8～30 nmで約2.8～3.5×10²⁰ cm⁻³とほぼ一定でしたが、8 nm未満では減少し始めます。移動度は2～8 nmの狭い範囲でわずかに低下しただけで、膜の完全性が保たれていることを示しています。8 nmは、シート抵抗が十分に低く、電気的性能が低下していない最適な点に位置しています。
(a) テクスチャードc-Siボトムセル表面上のITO層のピークフィッティングされたO 1s高分解能XPSスペクトル。(b) NiOx修飾前後のテクスチャードc-Siボトムセル上の8 nm ITO層の高分解能XPSスペクトル。(c) テクスチャードc-Siボトムセル上の8 nm ITO層の断面SEM画像。(d) 8 nm ITOサンプルの焦点領域に対応するEDS元素マップ。右上に色元素凡例。
光学的には、ITOを薄くすることで、450 nm以上での反射率と吸収率の両方が低下しました。これは、干渉による打ち消しと自由キャリア吸収の弱まりによるものです。
UPSは、膜厚が薄くなるにつれて仕事関数が上昇し、NiOx修飾とアニーリング後、仕事関数のシフトは8 nmでピークに達することを示した。
KPFM面積スキャンにより、10 nm未満のITOが局所的なシャントポイントをすべて抑制し、8 nmで最も均一性が高いことが明らかになった。
XPSは興味深い詳細を明らかにした。8 nmのITO表面は20 nmのものよりも高い水酸基密度を持ち、それらの水酸基はNiOxとIn─O─Ni架橋結合を形成し、NiOxがより均一に広がり、より強固に付着することを可能にした。修飾後、Inシグナルは完全に消失し、これは被覆層の品質が優れており、その後のSAM自己組織化のための良い基盤を築いたことを示している。
SEMとEDSも、8 nmのITOがテクスチャ上にコンフォーマルな被覆を与えることを確認した。
タンデムセルの太陽電池性能
(a) ペロブスカイト/シリコンタンデムセルのJscの変化; (b) Vocの変化; (c) FFの変化; (d) PCEの変化; (e) ITO上のタンデムセルの断面SEM画像; (f) ITO上のペロブスカイト膜のXRDパターン; (g) ITO上のペロブスカイト膜の定常状態PLスペクトル; (h) 正規化された定常状態PL曲線; (i) ITO上のペロブスカイト膜の過渡TRPL減衰スペクトル; (j) タンデムセルのフォトルミネッセンス画像、有効面積0.928 cm²。
6種類すべてのITOインターコネクト厚さでJ-Vテストを実施した。
5 nm未満では、VocとFFが大幅に低下した。Vocは1.7 Vを超えることができず、PCEはわずか21.68%であり、主な理由はピラミッドテクスチャ上で膜がすでに不連続であったためである。
8 nmが最適な答えであった。断面SEMは、超薄膜ITO（10 nm未満）上でペロブスカイト粒子がより大きく密であることを示し、XRDはより良い結晶品質を確認したが、5 nmサンプルではPbI₂ピークが現れ、劣化がすでに始まっている兆候であった。定常状態PL強度は30 nmから8 nmまで上昇し、その後再び低下したため、8 nmはピークに位置し、最も低い欠陥密度に対応した。
正規化されたPL特性ピークはシフトせず、界面非放射再結合の性質が同じであることを意味する。TRPLキャリア寿命も8 nmで最長であった。これらの結果は、Poly-SAMがもたらすより強い正味の双極子とより均一な仕事関数に遡ることができ、VocとFFを一緒に引き上げる。PLイメージングはまた、ペロブスカイトサブセル内のサブミクロンの不均一性を露呈したが、超薄膜高抵抗ITO層は高い横方向抵抗率を持つため、局所的なシャントの到達範囲は効果的に封じ込められ、デバイス全体を引きずり下ろすことはなかった。
電流密度の向上
(a) 8 nm ITO相互接続層下のペロブスカイトおよびシリコンサブセルのEQE曲線；(b) 初期および最適化されたタンデムセルのEQE曲線。
前面IZO層は性能指数Aw × Rsheet⁻¹で評価され、45 nmが最適でした。相互接続ITOを20 nmから10 nm、8 nmに薄くすることで、平均Jscは19.78から19.96、20.55 mA cm⁻²に向上しました。ペロブスカイトおよびシリコンサブセルのEQE積分電流密度はそれぞれ20.64および20.51 mA cm⁻²であり、J-Vデータと一致しました。20 nm ITOと比較して、8 nmではペロブスカイトサブセルで0.06 mA cm⁻²、シリコンサブセルで0.47 mA cm⁻²の増加が得られ、シリコンボトムセルからの近赤外線寄与が最も向上しました。
製品用途
デバイス性能と安定性
(a) ペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池の模式構造と写真；(b) タンデムセルの断面SEM画像；(c) 単接合ペロブスカイトおよびシリコンサブセルのJ-V曲線；(d) 高性能セルの代表的なJ-V曲線；(e) 30 nmから2 nmのITO相互接続層上に構築されたペロブスカイト/シリコンタンデムセルのRsの変化；(f) 1-sun照射下での封止タンデムセルのMPPT試験結果。
ITO相互接続厚さが最適化されると、タンデムデバイスの平均PCEは28.64%から30.67%に上昇しました。2 nm ITOでは直列抵抗Rsが41.26 Ωと高く、直列接続が実質的に切断されていました。8 nmではRsが大幅に低く、内部インピーダンスが低下し、最大出力点付近の電圧損失が減少しました。安定性については、8 nm ITOタンデムセルは500時間のMPPT後も初期PCEの96%を維持したのに対し、20 nmのものは90%しか維持できず、TCO/SAM相互接続ファミリーの中で最も安定したものの一つとなりました。なぜこれほど安定しているのか？Poly-SAMの被覆率が高く、ペロブスカイトの結晶化もそれに伴って向上するためです。
SAMで覆われた領域は表面エネルギーが低く、ホスホン酸基がPb²⁺やFA⁺と配位することで、ペロブスカイトがゆっくりと秩序正しく成長し、大きな結晶粒が得られます。一方、ITOが露出した領域ではこのようなテンプレート効果がなく、核形成が速く無秩序に進み、結晶粒は小さく粒界が多くなります。さらに、Poly-SAMが界面の不飽和結合やハロゲン空孔を不動態化し、ハロゲン移動が抑制され、劣化が遅くなります。超薄膜ITO自体がもたらす均一な表面電位も寄与し、これらの要因が相まってデバイスの寿命が向上します。
ここでのMPPT安定性試験は、3A+グレードのLEDソーラーシミュレーターを劣化光源として使用し、セル温度と周囲雰囲気を複数の方法で制御して長期安定性試験を実施します。
結論と展望
ペロブスカイト/シリコンタンデムセルにおいて、ITO中間層の最適厚さは8 nmです。この厚さはペロブスカイトの結晶品質を向上させると同時に、寄生吸収を抑えます。NiOx修飾とPoly-SAM機能化により、表面電位はより均一になり、仕事関数のシフトも顕著になります。8 nmのITO表面はより多くの水酸基を持ち、NiOxが均一に分布し、SAMが緻密に充填され、テクスチャ上へのコンフォーマルな被覆がSEMとEDSで確認されました。従来の20 nm ITOと比較して、最適化されたデバイスは31.80%のチャンピオン効率を達成し、Jscは0.85 mA cm⁻²向上し、500時間のMPPT後も初期効率の96%を維持しました。
今後の展望として、改善の余地はまだ多くあります。裏面テクスチャと光学反射鏡をさらに改良し、シリコン下部セルの光閉じ込めを強化して電流を増やし、電流マッチングを実現できます。FFとVocは全体効率を制限するボトルネックであるため、コンタクト不動態化戦略をさらに深める必要があります。シリコンベースのトンネル接合などの代替中間層アーキテクチャも試す価値があります。量産化にあたっては、TCO厚さとメタライゼーショングリッド設計を連携して調整し、大面積でのシャドウイングが過度にならず、横方向の導電性が損なわれないようにする必要があります。また、層が薄くなることでインジウム使用量が減り、持続可能性の面でもメリットがあります。
Ooitechの見解
ここで注目すべきは、数ナノメートルのITOが600nmのピラミッドテクスチャ上で光学特性と結晶化の両方を変動させることができる点であり、また、タンデムラインがラボのクーポンからフルサイズモジュールに移行する際に現れるのとまったく同じコンフォーマルカバレッジの問題が発生することです。生産現場では、タバーストリンガー、レイアップ、ラミネーションの各工程がこれらの脆弱なインターコネクトとSAM界面を尊重しなければならず、そこでは均一で調整の行き届いたモジュールライン設備がその価値を発揮します。これらのプロセスが実際の工場規模でどのように見えるかを知りたい場合は、OoitechのYouTubeチャンネルをご覧ください。 www.youtube.com/ooitech をフォローする価値があります。
