26.2% تصدیق شدہ کارکردگی میں پیش رفت

مختصر جواب: ایک آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیول نے 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی حاصل کی ہے، یہ نتیجہ اہم ہے کیونکہ آل-پیرووسکائٹ سلیکون نچلے سیل سے مکمل طور پر گریز کرتا ہے۔ ماڈیول نے تقریباً 2.182 V کا اوپن-سرکٹ وولٹیج ظاہر کیا، جو ایک سنگل-جنکشن سلیکون سیل سے تقریباً دوگنا ہے اور سیریز میں دو جنکشنز کی نشانی ہے۔ تصدیق کے ٹیسٹ میں 85 °C پر ڈیمپ-ہیٹ exposure اور IEC 61215 مکینیکل تقاضے شامل تھے، جس میں 5 mm سے 30 mm کلاس ٹیسٹ جیومیٹری تھی۔ پیرووسکائٹ ٹینڈم تاریخی طور پر کارکردگی کے بجائے استحکام پر ناکام ہوا ہے، اور یہی چیز ایک تصدیق شدہ نتیجے کو لیبارٹری ریکارڈ سے مختلف بناتی ہے۔ پیداوار تک باقی فرق رقبہ ہے: زیادہ تر ریکارڈز چھوٹے ماڈیولز پر ہیں، اور پیرووسکائٹ کوٹنگ کو پن ہولز اور یکسانیت کے نقصان کے بغیر مکمل سائز کے ماڈیول تک بڑھانا ایک الگ انجینئرنگ مسئلہ ہے۔

PV ماڈیول مینوفیکچرنگ · از جیری، Ooitech

تعارف

آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیولز کو ان کی اعلیٰ کارکردگی اور کم لاگت کی صلاحیت کی بدولت اگلی نسل کی فوٹو وولٹک ٹیکنالوجی کے لیے ایک مضبوط امیدوار سمجھا جاتا ہے۔ تاہم بڑے رقبے پر تجارتی بنانے کو شدید طور پر روکا گیا ہے۔ جبکہ چھوٹے رقبے کے آلات پہلے ہی 30% کارکردگی کو عبور کر چکے ہیں، بڑے رقبے کے ماڈیولز (≥20 cm²) طویل عرصے سے تقریباً 24.5% پر پھنسے ہوئے ہیں۔ اس کی بنیادی وجوہات روایتی سونے پر مبنی ٹنل ری کمبینیشن جنکشنز (TRJs) میں Au/PEDOT:PSS ڈھانچے کی شدید قریب-انفرا ریڈ طفیلی جذب اور بین السطحی حرارتی عدم استحکام ہیں، اس کے ساتھ بلیڈ کوٹنگ کے دوران غیر یکساں کرسٹلائزیشن کی وجہ سے بڑے رقبے کی Pb-Sn پیرووسکائٹ فلموں میں چارج کی منتقلی کا خراب ہونا بھی شامل ہے۔

یہ مطالعہ سطحی طور پر انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹلز پر بنایا گیا ایک محلول پر مبنی TRJ تیار کرتا ہے۔ نینو کرسٹل مورفولوجی اور سطحی کیمسٹری کو ایڈجسٹ کرکے، ٹیم نے اعلیٰ بصری شفافیت، ہموار انٹرفیس، اور مثالی توانائی کی سطح کی صف بندی حاصل کی۔ ساتھ ہی، Pb-Sn پیرووسکائٹ پیش خیمہ میں فاسفونک ایسڈ قسم کے اضافی اشیاء متعارف کرائی گئیں تاکہ In₂O₃ ری کمبینیشن لیئر کے ساتھ الیکٹرانک رابطہ بہتر ہو، ہول نکالنے میں اضافہ ہو، اور کرسٹلائزیشن کینیٹکس کو ایڈجسٹ کیا جائے تاکہ بڑے رقبے کی فلموں میں بقایا تناؤ کم ہو۔ یہ مشترکہ حکمت عملی بیک وقت جنکشن پر کیریئر ری کمبینیشن کی کارکردگی، چارج نکالنے، اور بڑے رقبے کی فلم کی یکسانی کو بڑھاتی ہے، بالآخر 65 cm² یپرچر رقبے پر JET سے تصدیق شدہ 26.2% کارکردگی فراہم کرتی ہے (VOC = 2.182 V، FF = 77.4%، JSC = 15.6 mA cm⁻²) — جو آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم فوٹو وولٹکس کو بڑھانے کی راہ پر ایک اہم سنگ میل ہے۔

نئے TRJ کی ڈیزائن اور فوائد

یہ کام ایک محلول پر مبنی متبادل تجویز کرتا ہے: سطحی طور پر انجینئرڈ انڈیم آکسائیڈ نینو کرسٹلز (In₂O₃ NCs) سے بنایا گیا ایک نیا TRJ (Type III)۔ اس کا منظم طریقے سے روایتی Au/PEDOT:PSS Type I ڈھانچے اور تجارتی ITO نینو کرسٹلز پر مبنی Type II ڈھانچے 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 زیادہ ہموار دفن شدہ انٹرفیس بناتا ہے اور مؤثر طریقے سے رابطہ نقص کی کثافت کو کم کرتا ہے۔ برقی ٹیسٹ ظاہر کرتے ہیں کہ Type III ڈھانچہ بغیر کسی چارج ٹرانسپورٹ رکاوٹ کے مثالی اوہمک رابطہ رویہ ظاہر کرتا ہے۔

بصری اور حرارتی استحکام

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

بڑے رقبے کی پیرووسکائٹ فلم کی تیاری کو بہتر بنانا

TRJ کے بصری نقصان اور عدم استحکام کے حل کے بعد، بڑے رقبے کی Pb-Sn پیرووسکائٹ فلموں کی یکساں تیاری اگلی تکنیکی رکاوٹ بن گئی۔ روایتی DMF/DMSO سالوینٹ سسٹمز کے ابلنے کے نقطے بلند اور اتار چڑھاؤ سست ہوتا ہے، لہٰذا تیز رفتار بلیڈ کوٹنگ کے دوران ان کی نیوکلیشن کینیٹکس پیچھے رہ جاتی ہے، جس سے بڑے سبسٹریٹس پر یکساں فلمیں بنانا مشکل ہو جاتا ہے۔

اس کو حل کرنے کے لیے، ٹیم نے 2-میتھوکسی ایتھنول (2-Me) اور ٹیٹراہائیڈروفیوران (THF) پر مبنی ایک بائنری سالوینٹ سسٹم تیار کیا۔ اپنے کم ابلنے کے نقطے اور زیادہ بخارات کے دباؤ کے ساتھ، یہ سسٹم تیزی سے نازک سپر سیچوریشن تک پہنچتا ہے اور نیوکلیشن کو نمایاں طور پر تیز کرتا ہے۔ اس کا استعمال کرتے ہوئے، Pb-Sn پیرووسکائٹ بلیڈ کوٹنگ کی رفتار روایتی DMF سسٹم میں 5 mm/s سے بڑھا کر 30 mm/s تک کر دی گئی، جو 10×10 cm² اور اس سے بڑے سبسٹریٹس پر انتہائی یکساں فوٹو لومینیسینس (PL) شدت اور بہترین آلہ کی مستقل مزاجی فراہم کرتی ہے۔ اس نے کامیابی سے بڑے رقبے کی کوٹنگ کے کرسٹلائزیشن کینیٹکس چیلنج کو حل کیا اور 65 cm² یپرچر رقبے پر ابتدائی 17.5% کارکردگی کی توثیق حاصل کی۔

سطحی لیگنڈ انجینئرنگ اور توانائی کی سطح کی مماثلت

PEDOT:PSS ہٹانے کے بعد، بصری نقصانات کم ہوئے، لیکن اوپن سرکٹ وولٹیج (VOC) اور فل فیکٹر (FF) میں کمی آئی، جس کی وجہ پیرووسکائٹ اور NC لیئر کے درمیان بڑھتی ہوئی بین السطحی ٹرانسپورٹ رکاوٹیں اور غیر تابکاری ری کمبینیشن بتائی گئی۔ اس سے نمٹنے کے لیے، مطالعہ نے ایک دوہری ہم آہنگی کی اصلاح کی حکمت عملی نافذ کی:

توانائی کی سطحوں کو ایڈجسٹ کرنے کے لیے سطحی لیگنڈ انجینئرنگ

لیگنڈ ایکسچینج کے ذریعے، MMES اور MMPA کو In₂O₃ NCs کی سطح میں ترمیم کے لیے استعمال کیا گیا۔ UV فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی (UPS) نے ظاہر کیا کہ MMPA سے ترمیم شدہ In₂O₃ NCs ہدف پیرووسکائٹ فلم کے ساتھ سازگار بین السطحی بینڈ بینڈنگ حاصل کرتے ہیں (تقریباً 50 meV کی اوپر کی طرف موڑ)، جو ہول نکالنے کو نمایاں طور پر فروغ دیتا ہے، جبکہ OAm یا MMES ترمیم نیچے کی طرف موڑ اور ٹرانسپورٹ رکاوٹ کا سبب بنی۔ اسپیس-چارج-لمیٹڈ کرنٹ (SCLC) ٹیسٹوں نے موبلٹی پر کسی بھی لیگنڈ مداخلت کو مسترد کر دیا، جس سے تصدیق ہوتی ہے کہ کارکردگی میں اضافہ بنیادی طور پر بہتر توانائی کی سطح کی صف بندی سے ہوتا ہے۔

فاسفونک ایسڈ ہول-سلیکٹو میٹریل (HSM) کے ساتھ بلک ڈوپنگ

ٹیم نے MeO-2PACz جیسے فاسفونک ایسڈ HSMs کو براہ راست Pb-Sn پیرووسکائٹ پیش خیمہ میں ڈوپ کیا (0.2 mol% پر بہتر بنایا گیا) بجائے اس کے کہ انہیں انٹرفیس ترمیم تک محدود رکھا جائے۔ یہ بلک ڈوپنگ حکمت عملی بڑے رقبوں پر غیر یکساں SAM کوریج کے مسئلے سے بچتی ہے۔ UPS نے ظاہر کیا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد پیرووسکائٹ ورک فنکشن 5.04 eV سے 4.81 eV پر منتقل ہو گیا، والینس بین میکسیمم اوپر چلا گیا، اور n-ٹائپ کردار کمزور ہو گیا، جو In₂O₃ NCs کی توانائی کی سطحوں سے بہتر مماثلت رکھتا 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 والا بلیڈ کوٹڈ آلہ 24.0% ریورس-اسکین کارکردگی حاصل کر گیا جس کا JSC 33.8 mA cm⁻² تک تھا۔

پیرووسکائٹ فلم پر HSM کے متعدد کردار

HSM کا کردار چارج ٹرانسپورٹ سے کہیں آگے جاتا ہے — یہ فلم کی کرسٹلائزیشن اور نقص کی غیر فعالی کو گہرائی سے متاثر کرتا ہے:

کرسٹلائزیشن کنٹرول اور نقص کی دباوٹ

اسکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپی (SEM) نے ظاہر کیا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد Pb-Sn فلم میں ابتدائی طور پر دانے کی حدود کو کاٹنے والی ڈینڈریٹک نجاستیں غائب ہو گئیں، دانے کا سائز نمایاں طور پر بڑھ گیا، اور دانے کی حدود نے "فیوزڈ" شکل اختیار کر لی۔ GIWAXS اور XRD نے تصدیق کی کہ HSM نے PbI₂ نجاستی مرحلے کی تشکیل کو مؤثر طریقے سے دبا دیا۔ مائع حالت ¹H NMR نے مزید انکشاف کیا کہ HSM، ترجیحی ڈیپروٹونیشن کے ذریعے، آزاد تیزابی فاسفونک گروپوں کو استعمال کرتا ہے، اس طرح ان کے FA⁺ کیشنز کی تیزابی ڈیپروٹونیشن کو روکتا ہے اور پیش خیمہ کیمسٹری کو مستحکم کرتا ہے۔

بہتر کیریئر ڈائنامکس

ٹرانزینٹ ابزورپشن اسپیکٹروسکوپی (TAS) نے ظاہر کیا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد نقص کی مدد سے ہونے والی غیر تابکاری دوبارہ ترکیب نمایاں طور پر دبا دی گئی تھی۔ مستحکم حالت PL کی شدت تیزی سے بڑھی، اوسط PL عمر 1042 ns سے 1889 ns تک بڑھ گئی، خاص طور پر نچلے انٹرفیس پر مضبوط پاسیویشن کے ساتھ، جس نے دفن انٹرفیس پر چارج ٹریپنگ کو مؤثر طریقے سے کم کیا۔ OPTP اسپیکٹروسکوپی نے ظاہر کیا کہ ہدف فلم کی کیریئر موبلٹی 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ سے 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ تک بڑھ گئی اور ڈفیوژن لمبائی 2.65 μm سے 4.78 μm تک بڑھ گئی، جس نے بلک فلم کے معیار میں ہمہ جہت بہتری کی تصدیق کی۔

بڑے رقبے کے ماڈیول کی کارکردگی اور استحکام

ان ہم آہنگ حکمت عملیوں کی بنیاد پر، ٹیم نے 65 cm² یپرچر رقبے (سیریز میں 14 ذیلی خلیات) کے ساتھ ایک آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم ماڈیول تیار کیا۔ Type 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% تھی۔ اس کی JET سے تصدیق شدہ مستحکم کارکردگی 26.2% تک پہنچ گئی، جو روایتی Type 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 نے مساوی فعال رقبے کی کارکردگی 27.6% تک بلند کر دی۔ EQE مقامی میپنگ نے ظاہر کیا کہ، 16 مختلف پوزیشنوں پر، اوپر اور نیچے کے ذیلی خلیات کی مربوط کرنٹ کثافتیں بالترتیب اوسطاً 16.3 اور 16.2 mA cm⁻² تھیں — جو J-V نتائج سے قریب سے مماثل ہیں اور دونوں نے پہلے رپورٹ شدہ 15 mA cm⁻² سے کم ماڈیول رکاوٹ کو توڑ دیا۔

قابل اعتمادی کے لحاظ سے، IEC 61215:2021 معیار کی پیروی کرتے ہوئے، انکیپسولیٹڈ Type III ماڈیول نے مسلسل 1-sun MPP ٹریکنگ کے تحت 771 گھنٹے کی T90 عمر (ابتدائی کارکردگی کا 90% برقرار رکھتے ہوئے) 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 1000 گھنٹے کی اوسط T84 عمر حاصل کی، جبکہ Type I ماڈیول پہلے ہی 40% کارکردگی سے نیچے گر چکا تھا؛ -40°C سے 85°C 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 بڑھنے کے تجربات نے تصدیق کی کہ Type III کا شاندار استحکام PEDOT:PSS کی وجہ سے پیدا ہونے والے عدم استحکام کے عوامل کو مکمل طور پر ختم کرنے سے پیدا ہوتا ہے۔

سطح-انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹل ری کمبینیشن جنکشنز اور ہم آہنگ بلک/انٹرفیس HSM انجینئرنگ کے ذریعے، اس کام نے 65 cm² یپرچر رقبے پر 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی والا آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیول کامیابی سے حاصل کیا، جس نے ماڈیول سائز، کارکردگی، اور آپریشنل استحکام میں جامع پیش رفت فراہم کی۔ یہ کام آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم فوٹو وولٹک 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 عملوں کی ہم آہنگ آپٹیمائزیشن کے ساتھ ویکیوم-اسسٹڈ کرسٹلائزیشن جیسے طریقوں کی ضرورت ہوگی، تاکہ بڑے رقبے کے چوڑے اور تنگ بینڈ گیپ ذیلی خلیات کی اعلیٰ معیار، یکساں تیاری کو یقینی بنایا جا سکے۔

حوالہ اور جانچ کا سامان

A+AA+ گریڈ LED کو عمر بڑھانے کے ذریعہ استعمال کرنے والا ایک مرکب پیرووسکائٹ MPPT ٹیسٹر جدید ٹیکنالوجی اور کثیر الوظائف ڈیزائن کے ذریعے پیرووسکائٹ سولر سیل کی تحقیق کے لیے مضبوط معاونت فراہم کرتا ہے۔ ایسے آلات بنیادی طور پر تیار شدہ پیرووسکائٹ سنگل جنکشن اور ٹینڈم سیلز کی 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 اتار چڑھاؤ کا شکار ہوتا ہے۔ ایک MPPT کنٹرولر حقیقی وقت میں زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ کو ٹریک اور لاک کرتا ہے، جس سے یہ یقینی بنتا ہے کہ نظام ہمیشہ بہترین پاور آؤٹ پٹ پر کام کرے۔ جنکشن باکس سیل سرکٹ سے برقی آؤٹ پٹ جمع کرتا ہے اور ماڈیول اور بیرونی PV سسٹم کے درمیان رابطہ فراہم کرتا ہے۔ یہ عمر بڑھانے کا ذریعہ جدید ٹیکنالوجی اور کثیر الوظائف ڈیزائن کے ذریعے پیرووسکائٹ سولر سیل کی تحقیق کے لیے مضبوط معاونت فراہم کرتا ہے۔ اس طرح کے آلات بنیادی طور پر تیار شدہ پیرووسکائٹ سنگل جنکشن اور ٹینڈم سیلز کی 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 اتار چڑھاؤ کا شکار ہوتا ہے۔ ایک MPPT کنٹرولر حقیقی وقت میں زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ کو ٹریک اور لاک کرتا ہے، جس سے یہ یقینی بنتا ہے کہ نظام ہمیشہ بہترین پاور آؤٹ پٹ پر کام کرے۔

حوالہ: آل-پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیولز کے لیے نینو کرسٹل سے تیار کردہ ری کمبینیشن

Ooitech کا نقطہ نظر

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