بڑے رقبے کے آل پیرووسکائٹ ٹینڈم ماڈیولز میں 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی کی پیش رفت: In₂O₃ نانوکرسٹل ٹنل ری کمبینیشن جنکشن

تعارف

آل پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیولز کو ان کی اعلی کارکردگی اور کم لاگت کی صلاحیت کی وجہ سے اگلی نسل کی فوٹو وولٹک ٹیکنالوجی کے لیے ایک مضبوط دعویدار سمجھا جاتا ہے۔ تاہم، بڑے رقبے پر کمرشلائزیشن کو شدید رکاوٹوں کا سامنا ہے۔ جہاں چھوٹے رقبے کے آلات نے پہلے ہی 30% کارکردگی عبور کر لی ہے، وہیں بڑے رقبے کے ماڈیولز (≥20 cm²) طویل عرصے سے تقریباً 24.5% پر پھنسے ہوئے ہیں۔ اس کی اہم وجوہات روایتی گولڈ بیسڈ ٹنل ری کمبینیشن جنکشنز (TRJs) میں Au/PEDOT:PSS ڈھانچے کی مضبوط قریب اورکت پیراسائٹک جذب اور انٹرفیشل تھرمل عدم استحکام ہیں، نیز بلیڈ کوٹنگ کے دوران غیر یکساں کرسٹلائزیشن کی وجہ سے بڑے رقبے کے Pb-Sn پیرووسکائٹ فلموں میں چارج ٹرانسپورٹ کا انحطاط۔

یہ مطالعہ سطحی انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹل پر مبنی ایک حل پروسیسڈ TRJ تیار کرتا ہے۔ نینو کرسٹل مورفولوجی اور سطحی کیمسٹری کو ٹیون کرکے، ٹیم نے اعلیٰ نظری شفافیت، ہموار انٹرفیس، اور مثالی توانائی کی سطح کی صف بندی حاصل کی۔ اسی وقت، Pb-Sn پیرووسکائٹ پیشگی میں فاسفونک ایسڈ قسم کے اضافی اجزاء متعارف کرائے گئے تاکہ In₂O₃ ری کمبینیشن پرت کے ساتھ الیکٹرانک رابطہ بہتر ہو، سوراخ نکالنے میں اضافہ ہو، اور بڑے رقبے والی فلموں میں بقایا تناؤ کو دور کرنے کے لیے کرسٹلائزیشن کائینیٹکس کو ٹیون کیا جا سکے۔ یہ مشترکہ حکمت عملی بیک وقت جنکشن پر کیریئر ری کمبینیشن کی کارکردگی، چارج نکالنے، اور بڑے رقبے والی فلم کی یکسانیت کو بڑھاتی ہے، بالآخر 65 cm² کے یپرچر ایریا پر JET سے تصدیق شدہ 26.2% کارکردگی فراہم کرتی ہے (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — یہ تمام پیرووسکائٹ ٹینڈم فوٹوولٹکس کو بڑھانے کے راستے پر ایک اہم سنگ میل ہے۔

نئے TRJ کا ڈیزائن اور فوائد

یہ کام ایک حل پروسیسڈ متبادل تجویز کرتا ہے: سطحی انجینئرڈ انڈیم آکسائیڈ نینو کرسٹل (In₂O₃ NCs) سے بنا ایک نیا TRJ (قسم III)۔ اس کا روایتی Au/PEDOT:PSS قسم I ڈھانچے اور تجارتی ITO نینو کرسٹل پر مبنی قسم II ڈھانچے کے ساتھ منظم طریقے سے موازنہ کیا گیا ہے۔

ڈھانچہ اور انٹرفیس کی خصوصیات

خود ساختہ In₂O₃ NCs کا ذرہ سائز تجارتی ITO NCs سے بہت چھوٹا ہے، جو ایک ہموار دفن شدہ انٹرفیس بناتا ہے اور رابطہ نقص کی کثافت کو مؤثر طریقے سے کم کرتا ہے۔ برقی ٹیسٹ ظاہر کرتے ہیں کہ قسم III کا ڈھانچہ مثالی اوہمک رابطہ رویہ دکھاتا ہے جس میں چارج ٹرانسپورٹ رکاوٹ نہیں ہے۔

نظری اور حرارتی استحکام

نظری خصوصیات سے پتہ چلتا ہے کہ قسم I میں PEDOT:PSS شدید طفیلی جذب نقصان کا سبب بنتا ہے، جبکہ In₂O₃ NC فلم انتہائی نظری طور پر شفاف ہے۔ 85°C پر تیز رفتار حرارتی عمر رسانی کے تحت، قسم I ماڈیول کی کارکردگی 50 گھنٹوں کے اندر اپنی ابتدائی قدر سے نصف سے بھی کم ہو گئی، جبکہ NC پر مبنی قسم II اور قسم III نے 200 گھنٹوں کے بعد ابتدائی کارکردگی کا تقریباً 75% برقرار رکھا۔ 10×10 cm² سبسٹریٹ پر، بلیڈ کوٹڈ NC فلموں نے پتلی تھرمل طور پر بخارات بنی ہوئی Au فلموں کے مقابلے میں کہیں زیادہ یکساں نظری جذب دکھایا، جو قابل توسیع مینوفیکچرنگ میں حل پروسیسڈ نینو کرسٹل کے موروثی فائدے کو مکمل طور پر ظاہر کرتا ہے۔

بڑے رقبے والی پیرووسکائٹ فلم کی تیاری کو بہتر بنانا

TRJ کے نظری نقصان اور عدم استحکام کے حل کے بعد، بڑے رقبے والی Pb-Sn پیرووسکائٹ فلموں کی یکساں تیاری اگلی تکنیکی رکاوٹ بن گئی۔ روایتی DMF/DMSO سالوینٹ سسٹم میں ابلتے پوائنٹ زیادہ ہوتے ہیں اور اتار چڑھاؤ سست ہوتا ہے، لہٰذا تیز رفتار بلیڈ کوٹنگ کے دوران ان کی نیوکلیشن کائینیٹکس پیچھے رہ جاتی ہے، جس سے بڑے سبسٹریٹس پر یکساں فلمیں بنانا مشکل ہو جاتا ہے۔

اس مسئلے کو حل کرنے کے لیے، ٹیم نے 2-methoxyethanol (2-Me) اور tetrahydrofuran (THF) پر مبنی ایک بائنری سالوینٹ سسٹم تیار کیا۔ اس کے کم ابلتے نقطہ اور زیادہ بخارات کے دباؤ کی وجہ سے، یہ نظام تیزی سے اہم سپر سیچوریشن تک پہنچتا ہے اور نیوکلیشن کو نمایاں طور پر تیز کرتا ہے۔ اسے استعمال کرتے ہوئے، Pb-Sn perovskite کی بلیڈ کوٹنگ کی رفتار روایتی DMF سسٹم میں 5 mm/s سے بڑھا کر 30 mm/s تک کر دی گئی، جس سے 10×10 cm² اور اس سے بڑے سبسٹریٹس پر انتہائی یکساں photoluminescence (PL) شدت اور بہترین ڈیوائس مستقل مزاجی حاصل ہوئی۔ اس نے بڑے ایریا کی کوٹنگ کے crystallization-kinetics چیلنج کو کامیابی سے حل کیا اور 65 cm² کے یپرچر ایریا پر 17.5% کی ابتدائی کارکردگی کی تصدیق کی۔

سطحی لیگنڈ انجینئرنگ اور انرجی لیول میچنگ

PEDOT:PSS کو ہٹانے کے بعد، آپٹیکل نقصانات کم ہوئے، لیکن اوپن سرکٹ وولٹیج (VOC) اور فل فیکٹر (FF) میں کمی آئی، جس کی وجہ perovskite اور NC پرت کے درمیان بڑھتی ہوئی انٹرفیشل ٹرانسپورٹ رکاوٹیں اور غیر ریڈی ایٹیو ری کمبینیشن کو قرار دیا گیا۔ اس سے نمٹنے کے لیے، مطالعہ نے ایک دوہری ہم آہنگ اصلاح کی حکمت عملی نافذ کی:

انرجی لیول کو ٹیون کرنے کے لیے سطحی لیگنڈ انجینئرنگ

لیگنڈ ایکسچینج کے ذریعے، In₂O₃ NCs کی سطح کو تبدیل کرنے کے لیے MMES اور MMPA استعمال کیے گئے۔ UV photoelectron spectroscopy (UPS) نے دکھایا کہ MMPA سے تبدیل شدہ In₂O₃ NCs ہدف perovskite فلم کے ساتھ سازگار انٹرفیشل بینڈ موڑنے (تقریباً 50 meV کا اوپر کی طرف موڑ) حاصل کرتے ہیں، جو ہول نکالنے کو نمایاں طور پر فروغ دیتے ہیں، جبکہ OAm یا MMES تبدیلی نے نیچے کی طرف موڑ اور ایک ٹرانسپورٹ رکاوٹ پیدا کی۔ Space-charge-limited current (SCLC) ٹیسٹوں نے خود نقل و حرکت پر کسی بھی لیگنڈ مداخلت کو مسترد کر دیا، اس بات کی تصدیق کرتے ہوئے کہ کارکردگی کا فائدہ بنیادی طور پر بہتر انرجی لیول الائنمنٹ سے حاصل ہوتا ہے۔

فاسفونک ایسڈ ہول سلیکٹیو میٹریل (HSM) کے ساتھ بلک ڈوپنگ

ٹیم نے فاسفونک ایسڈ HSMs جیسے MeO-2PACz کو براہ راست Pb-Sn perovskite پیشگی میں شامل کیا (0.2 mol% پر بہتر کیا گیا) بجائے اس کے کہ انہیں صرف انٹرفیس میں ترمیم تک محدود رکھا جائے۔ یہ بلک ڈوپنگ حکمت عملی بڑے علاقوں پر SAM کی غیر مساوی کوریج کے مسئلے سے بچتی ہے۔ UPS نے دکھایا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد perovskite کا ورک فنکشن 5.04 eV سے 4.81 eV میں تبدیل ہو گیا، ویلنس بینڈ میکسیمم اوپر چلا گیا، اور n-type کردار کمزور ہو گیا، جو In₂O₃ NCs کی انرجی لیولز سے بہتر طور پر مماثل ہے۔ اس کے نتیجے میں HTL سے پاک سنگل جنکشن Pb-Sn سیل 23% کارکردگی تک پہنچ گیا، جبکہ In₂O₃-MMPA NCs کو ہول ٹرانسپورٹ لیئر (HTL) کے طور پر استعمال کرنے والے بلیڈ کوٹڈ ڈیوائس نے 33.8 mA cm⁻² کی JSC کے ساتھ 24.0% ریورس اسکین کارکردگی حاصل کی۔

perovskite فلم پر HSM کے متعدد کردار

HSM کا کردار چارج ٹرانسپورٹ سے کہیں آگے ہے — یہ فلم کی کرسٹلائزیشن اور ڈیفیکٹ پاسیویشن کو گہرائی سے متاثر کرتا ہے:

کرسٹلائزیشن کنٹرول اور نقائص کا خاتمہ

اسکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپی (SEM) نے دکھایا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد Pb-Sn فلم میں ان ڈینڈرائٹک نجاستیں جو پہلے گرین باؤنڈریز کو کاٹ رہی تھیں، غائب ہو گئیں، دانے کا سائز نمایاں طور پر بڑھ گیا، اور گرین باؤنڈریز ایک 'فیوزڈ' شکل اختیار کر گئیں۔ GIWAXS اور XRD نے تصدیق کی کہ HSM نے PbI₂ نجاستی مرحلے کی تشکیل کو مؤثر طریقے سے دبایا۔ مائع حالت میں ¹H NMR نے مزید انکشاف کیا کہ HSM، ترجیحی ڈیپروٹونیشن کے ذریعے، آزاد تیزابی فاسفونک گروپس کو استعمال کرتا ہے، اس طرح FA⁺ کیشنز کے تیزابی ڈیپروٹونیشن کو روکتا ہے اور پیشگی کیمسٹری کو مستحکم کرتا ہے۔

بہتر کیریئر ڈائنامکس

ٹرانزینٹ ابسورپشن سپیکٹروسکوپی (TAS) نے دکھایا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد نقائص کی مدد سے غیر تابناک ری کمبینیشن نمایاں طور پر دب گئی۔ سٹیڈی سٹیٹ PL کی شدت میں تیزی سے اضافہ ہوا، اوسط PL لائف ٹائم 1042 ns سے بڑھ کر 1889 ns ہو گیا، خاص طور پر نیچے کے انٹرفیس پر مضبوط پاسیویشن کے ساتھ، جس نے دفن شدہ انٹرفیس پر چارج ٹریپنگ کو مؤثر طریقے سے کم کیا۔ OPTP سپیکٹروسکوپی نے دکھایا کہ ٹارگٹ فلم کی کیریئر موبلٹی 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ سے بڑھ کر 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ ہو گئی اور ڈفیوژن لمبائی 2.65 μm سے بڑھ کر 4.78 μm ہو گئی، جس سے بلک فلم کے معیار میں مجموعی بہتری کی تصدیق ہوتی ہے۔

بڑے رقبے کے ماڈیول کی کارکردگی اور استحکام

ان ہم آہنگ حکمت عملیوں کی بنیاد پر، ٹیم نے 65 cm² کے یپرچر ایریا (14 ذیلی خلیات سیریز میں) کے ساتھ ایک آل پیرووسکائٹ ٹینڈم ماڈیول تیار کیا۔ ٹائپ III (In₂O₃-MMPA) TRJ استعمال کرنے والے چیمپئن ماڈیول نے 26.6% لیب ٹیسٹ شدہ کارکردگی (ریورس اسکین) حاصل کی، جس میں VOC 30.4 V، JSC 1.12 mA cm⁻²، اور FF 78.2% تھا۔ اس کی JET سے تصدیق شدہ مستحکم کارکردگی 26.2% تک پہنچ گئی، جو روایتی ٹائپ I TRJ (24.8%) استعمال کرنے والے کنٹرول ماڈیول سے واضح طور پر بہتر تھی۔ ڈیڈ زون آپٹیمائزیشن کے بعد، جیومیٹرک فل فیکٹر 96.5% تک پہنچ گیا، جس سے مساوی ایکٹو ایریا کی کارکردگی 27.6% تک ہو گئی۔ EQE اسپیشل میپنگ نے دکھایا کہ، 16 مختلف پوزیشنوں پر، اوپر اور نیچے کے ذیلی خلیات کی انٹیگریٹڈ کرنٹ ڈینسٹیز بالترتیب اوسطاً 16.3 اور 16.2 mA cm⁻² تھیں — جو J-V نتائج سے قریباً مماثل ہیں اور دونوں نے پہلے رپورٹ کردہ 15 mA cm⁻² سے کم ماڈیول رکاوٹ کو توڑ دیا۔

قابل اعتبار کے لحاظ سے، IEC 61215:2021 معیار کے مطابق، encapsulated Type III ماڈیول نے مسلسل 1-sun MPP ٹریکنگ کے تحت 771 گھنٹے کی T90 عمر (ابتدائی کارکردگی کا 90% برقرار رکھنا) حاصل کی، اور 1000 گھنٹے کے بعد بھی 82.5% کارکردگی برقرار رکھی۔ سخت 85°C/85% RH ڈیمپ ہیٹ ٹیسٹ (ISOS-D-3) میں، Type III ماڈیول نے اوسطاً 1000 گھنٹے کی T84 عمر حاصل کی، جبکہ Type I ماڈیول کی کارکردگی 40% سے بھی نیچے گر گئی تھی؛ -40°C سے 85°C تک تھرمل سائیکلنگ ٹیسٹ (ISOS-T-3) میں، Type III ماڈیول نے 200 سائیکلوں کے بعد ابتدائی کارکردگی کا 93% برقرار رکھا۔ تمام تیز رفتار عمر رسیدہ تجربات نے تصدیق کی کہ Type III کی شاندار استحکام PEDOT:PSS کی وجہ سے پیدا ہونے والے عدم استحکام کے عوامل کو مکمل طور پر ختم کرنے سے حاصل ہوا ہے۔

سطحی انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹل ری کمبینیشن جنکشنز اور synergistic bulk/interface HSM انجینئرنگ کے ذریعے، اس کام نے 65 cm² کے یپرچر ایریا پر 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی والا آل پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیول کامیابی سے حاصل کیا، جس سے ماڈیول کے سائز، کارکردگی اور آپریشنل استحکام میں جامع پیش رفت ہوئی۔ یہ کام آل پیرووسکائٹ ٹینڈم فوٹوولٹک ٹیکنالوجی کی تجارتی صلاحیت کو مضبوطی سے ظاہر کرتا ہے۔ آگے دیکھتے ہوئے، ماڈیول کے رقبے کو 800 cm² سے آگے بڑھانے کے لیے سلٹ ڈائی کوٹنگ جیسے ڈیپوزیشن عمل اور ویکیوم اسسٹڈ کرسٹلائزیشن جیسے طریقوں کے ہم آہنگ اصلاح کی ضرورت ہوگی، تاکہ بڑے رقبے والے وسیع اور تنگ بینڈ گیپ ذیلی خلیوں کی اعلیٰ معیار اور یکساں تیاری کو یقینی بنایا جا سکے۔

حوالہ اور جانچ کا سامان

A+AA+ گریڈ کے LED سولر سمیلیٹر کو عمر رسیدہ ماخذ کے طور پر استعمال کرنے والا ایک جامع پیرووسکائٹ MPPT ٹیسٹر، جدید ٹیکنالوجی اور کثیر فعلی ڈیزائن کے ذریعے پیرووسکائٹ سولر سیل ریسرچ کے لیے مضبوط معاونت فراہم کرتا ہے۔ اس طرح کے آلات بنیادی طور پر تیار شدہ پیرووسکائٹ سنگل جنکشن اور ٹینڈم سیلز کے استحکام کی جانچ کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ چونکہ پیرووسکائٹ سیلز کی آؤٹ پٹ خصوصیات روشنی اور درجہ حرارت جیسے ماحولیاتی عوامل سے آسانی سے متاثر ہوتی ہیں، اس لیے زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ بار بار تبدیل ہوتا ہے۔ ایک MPPT کنٹرولر حقیقی وقت میں زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ کو ٹریک اور لاک کرتا ہے، اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ نظام ہمیشہ بہترین پاور آؤٹ پٹ پر کام کرے۔

حوالہ: نینو کرسٹل ٹیلرڈ ری کمبینیشن برائے آل پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیولز

Ooitech کا نقطہ نظر

Ooitech کا خیال ہے: سطحی انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹل ری کمبینیشن جنکشنز کے ساتھ HSM بلک/انٹرفیس انجینئرنگ نے بڑے رقبے والے آل پیرووسکائٹ ٹینڈم ماڈیولز کو 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی تک پہنچا دیا ہے، اس ٹیکنالوجی کو تجارتی بنانے کے ایک فیصلہ کن قدم قریب لا کر۔