پیرووسکائٹ/سلیکون ٹینڈم سیلز: 8nm ITO انٹرکنیکٹ لیئر 31.80% ایفیشنسی حاصل کرتی ہے

پروڈکٹ تعارف

مونولیتھک پیرووسکائٹ/سلیکون ٹینڈم سولر سیلز سنگل جنکشن ڈیوائسز کی کارکردگی کی حد سے آگے بڑھنے کے واضح ترین راستوں میں سے ایک ہیں۔ ٹاپ سیل اور باٹم سیل ایک ریکمبینیشن انٹرکنیکٹ پرت کے ذریعے سیریز میں جڑے ہوتے ہیں، اور یہ انٹرفیس کتنا اچھا ہے یہ فیصلہ کرتا ہے کہ کیریئرز ہموار طریقے سے منتقل اور دوبارہ یکجا ہو سکتے ہیں یا نہیں۔ مشکل سلیکون ہیٹروجنکشن (SHJ) باٹم سیل کی مائیکرو-پائرامڈ ٹیکسچرڈ سطح پر ہے۔ پائرامڈز تقریباً 600 nm بلند ہوتے ہیں، اور اس خطے پر ریکمبینیشن پرت آپٹیکل پیراسٹک نقصان کا شکار ہوتی ہے جبکہ سیلف-اسمبلڈ مونولیئر (SAM) کبھی یکساں طور پر نہیں پھیلتا۔ وقت کے ساتھ یہ ڈیوائس کی کارکردگی کو نیچے گھسیٹتا ہے۔

اس کام نے انڈیم ٹن آکسائیڈ (ITO) انٹرکنیکٹ پرتوں کو 2 سے 30 nm موٹائی تک ماپا اور پایا کہ انتہائی پتلی 8 nm پرت بیک وقت دو محاذوں پر بہترین کام کرتی ہے: آپٹیکل نقصان کو کم کرنا اور سطحی پوٹینشل یکسانیت کو بہتر بنانا۔ ایک بار NiOx ترمیم اور Poly-SAM فنکشنلائزیشن اوپر جمع ہو گئیں، تو شارٹ-سرکٹ کرنٹ کثافت 0.85 mA cm⁻² بڑھ کر 20.82 mA cm⁻² تک پہنچ گئی، پاور کنورژن ایفیشنسی 31.80% تک پہنچ گئی، اور 500 گھنٹے کی میکسمم پاور پوائنٹ ٹریکنگ کے بعد ڈیوائس نے اب بھی اپنی ابتدائی کارکردگی کا 96% برقرار رکھا۔

تجرباتی طریقہ

SHJ باٹم سیل میں n-ٹائپ سلیکون ویفرز استعمال ہوئے، 110 ± 10 µm موٹے، KOH سے دو طرفہ ٹیکسچرڈ کر کے تقریباً 600 nm بلند پائرامڈز بنائے گئے۔ RCA صفائی کے بعد، PECVD نے پاسیویشن اور ڈوپڈ پرتیں ترتیب سے جمع کیں: سامنے کی طرف 8 nm intrinsic a-Si:H(i) کے ساتھ 15 nm n-ٹائپ nc-SiOx:H(n)، پچھلی طرف 8 nm p-ٹائپ a-Si:H(p)، پھر 110 nm ITO اسپٹر کیا گیا اور پچھلی طرف 700 nm Ag بخارات سے جمع کیا گیا۔ سامنے کی طرف، چھ ITO انٹرکنیکٹ موٹائیاں الگ الگ جمع کی گئیں: 2، 5، 8، 10، 20 اور 30 nm، 180°C پر اینیل اور لیزر اسکرائب کیا گیا۔

پیرووسکائٹ ٹاپ سیل نے یہ راستہ اختیار کیا۔ باٹم سیل کو پہلے اینیل اور UV-اوزون ٹریٹ کیا گیا، پھر NiOx میگنیٹرون اسپٹرنگ کے ذریعے جمع کیا گیا، جس کے بعد ایک اور اینیل اور UV-اوزون مرحلہ آیا۔ نائٹروجن گلوو باکس کے اندر، Poly-SAM اسپن-کوٹ کیا گیا (0.5 mg mL⁻¹، سالوینٹ میتھانول اور کلوروبینزین 1:1 پر) اور 100°C پر اینیل کیا گیا۔ پیرووسکائٹ Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃ تھا جس کا بینڈ گیپ 1.68 eV تھا، دو مراحل میں اسپن-کوٹ کیا گیا، تیز رفتار مرحلے کے دوران کلوروبینزین اینٹی سالوینٹ کے طور پر ٹپکایا گیا اور 100°C پر 20 منٹ تک بیک کیا گیا۔ سطح کو PDADI سے بہتر بنایا گیا، پھر C₆₀ تھرمل بخارات سے جمع کیا گیا، SnO₂ ALD کے ذریعے اگایا گیا، 45 nm IZO اسپٹر کیا گیا، Ag الیکٹروڈز بخارات سے جمع کیے گئے، اور آخر میں MgF₂ اینٹی-ریفلیکشن فلم نے اسٹیک کو ڈھانپ لیا۔

تکنیکی فوائد

ITO انٹرکنیکٹ پرت کی آپٹو الیکٹرانک خصوصیات

(a) موٹائی کے مقابلے Rsh، Ne اور µ (n = 10)؛ (b) ITO پرت کی آپٹیکل جذبانیت اور انعکاس؛ (c) موٹائی کے مقابلے ورک فنکشن؛ (d) مختلف موٹائیوں پر NiOx ٹریٹمنٹ سے پہلے اور بعد ورک فنکشن شفٹ (ΔWF)؛ (e) NiOx-ترمیم شدہ ITO پر SAM کی تقسیم کا خاکہ؛ (f) 2–30 nm انٹرکنیکٹ ITO کے KPFM سطحی پوٹینشل نقشے؛ (g) NiOx اور Poly-SAM فنکشنلائزیشن سے پہلے اور بعد 8 nm انٹرکنیکٹ ITO کے KPFM سطحی پوٹینشل نقشے۔

ہال ایفیکٹ پیمائشوں نے دکھایا کہ فلم کی موٹائی بڑھنے کے ساتھ شیٹ ریزسٹنس کم ہوتی گئی، جو کہ متوقع تھا۔ کیریئر ارتکاز 8 اور 30 nm کے درمیان کافی مستحکم رہا، تقریباً 2.8 سے 3.5 × 10²⁰ cm⁻³، لیکن ایک بار جب آپ 8 nm سے نیچے جاتے ہیں تو یہ گرنے لگتا ہے۔ موبلٹی صرف تنگ 2 سے 8 nm ونڈو میں معمولی سی کم ہوئی، جو اس بات کی علامت ہے کہ فلم کی سالمیت اب بھی برقرار تھی۔ 8 nm بالکل اس مثالی مقام پر آتا ہے جہاں شیٹ ریزسٹنس کافی کم ہے اور برقی کارکردگی بکھری نہیں ہے۔

(a) ٹیکسچرڈ c-Si باٹم سیل سطح پر ITO پرت کا پیک-فٹڈ O 1s ہائی-ریزولوشن XPS اسپیکٹرم۔ (b) NiOx ترمیم سے پہلے اور بعد ٹیکسچرڈ c-Si باٹم سیل پر 8 nm ITO پرت کے ہائی-ریزولوشن XPS اسپیکٹرا۔ (c) ٹیکسچرڈ c-Si باٹم سیل پر 8 nm ITO پرت کی کراس-سیکشنل SEM تصویر۔ (d) 8 nm ITO نمونے کے فوکسڈ خطے کے متعلقہ EDS عنصری نقشے، اوپر دائیں کونے میں رنگ-عنصر لیجنڈ کے ساتھ۔

آپٹیکل طور پر، ITO کو پتلا کرنے سے 450 nm سے اوپر انعکاس اور جذبانیت دونوں کم ہوئیں، تباہ کن مداخلت کے ساتھ کمزور فری-کیریئر جذب کی بدولت۔

• UPS نے دکھایا کہ موٹائی کم ہونے کے ساتھ ورک فنکشن بڑھتا گیا، اور NiOx ترمیم اور اینیلنگ کے بعد ورک فنکشن شفٹ 8 nm پر عروج پر پہنچا۔

• KPFM ایریا اسکینوں نے ظاہر کیا کہ 10 nm سے کم ITO نے تمام مقامی شنٹ پوائنٹس کو دبا دیا، 8 nm نے بہترین یکسانیت فراہم کی۔

• XPS نے ایک دلچسپ تفصیل سامنے لائی: 8 nm ITO سطح پر 20 nm والی سے زیادہ ہائیڈروکسل کثافت تھی، اور ان ہائیڈروکسلز نے NiOx کے ساتھ In─O─Ni برج بانڈز بنائے، جس سے NiOx زیادہ یکساں طور پر پھیل سکا اور زیادہ مضبوطی سے چپک سکا۔ ترمیم کے بعد In سگنل مکمل طور پر غائب ہو گیا، جو بتاتا ہے کہ کوریج پرت کا معیار بہترین تھا اور اس نے آنے والی SAM سیلف-اسمبلی کے لیے اچھی بنیاد رکھی۔

• SEM اور EDS نے بھی تصدیق کی کہ 8 nm ITO نے ٹیکسچر پر کنفارمل کوریج فراہم کی۔

ٹینڈم سیل کی فوٹو وولٹائیک کارکردگی

(a) پیرووسکائٹ/سلیکون ٹینڈم سیلز میں Jsc کی تبدیلی؛ (b) Voc کی تبدیلی؛ (c) FF کی تبدیلی؛ (d) PCE کی تبدیلی؛ (e) ITO پر ٹینڈم سیل کی کراس-سیکشنل SEM تصویر؛ (f) ITO پر پیرووسکائٹ فلم کا XRD پیٹرن؛ (g) ITO پر پیرووسکائٹ فلم کا اسٹیڈی-اسٹیٹ PL اسپیکٹرم؛ (h) نارملائزڈ اسٹیڈی-اسٹیٹ PL منحنی خطوط؛ (i) ITO پر پیرووسکائٹ فلم کے ٹرانزینٹ TRPL ڈیکے اسپیکٹرا؛ (j) ٹینڈم سیل کی فوٹو لومینیسنس تصویر، فعال رقبہ 0.928 cm²۔

تمام چھ ITO انٹرکنیکٹ موٹائیوں نے J-V ٹیسٹنگ سے گزرا۔

• 5 nm سے نیچے، Voc اور FF شدید گر گئے۔ Voc کو 1.7 V سے آگے نہیں بڑھایا جا سکا اور PCE صرف 21.68% رہی، بنیادی طور پر اس لیے کہ فلم پائرامڈ ٹیکسچر پر پہلے ہی غیر مسلسل تھی۔

• 8 nm بہترین جواب تھا۔ کراس-سیکشنل SEM نے دکھایا کہ انتہائی پتلی ITO (10 nm سے کم) پر پیرووسکائٹ دانے بڑے اور گھنے تھے، اور XRD نے بہتر کرسٹلائن معیار کی تصدیق کی، حالانکہ 5 nm نمونے نے PbI₂ پیک پیدا کیا، جو اس بات کی علامت ہے کہ انحطاط پہلے ہی شروع ہو چکا تھا۔ اسٹیڈی-اسٹیٹ PL شدت 30 nm سے 8 nm تک مسلسل بڑھی، پھر دوبارہ گر گئی، لہٰذا 8 nm بالکل عروج پر تھا، جو کم ترین نقص کثافت سے مطابقت رکھتا ہے۔

• نارملائزڈ PL خصوصیت کی چوٹی میں کوئی تبدیلی نہیں آئی، جس کا مطلب ہے کہ انٹرفیس غیر تابکاری دوبارہ ملاپ کی نوعیت وہی رہی۔ TRPL کیریئر لائف ٹائمز بھی اسی طرح 8 nm پر سب سے طویل تھے۔ یہ نتائج Poly-SAM کے لائے ہوئے مضبوط نیٹ ڈائپول اور زیادہ یکساں ورک فنکشن کی طرف اشارہ کرتے ہیں، جو Voc اور FF کو ایک ساتھ بلند کرتے ہیں۔ PL امیجنگ نے پیرووسکائٹ سب سیل کے اندر سب مائیکرون غیر یکسانیت کو بھی بے نقاب کیا، لیکن الٹرا تھن ہائی ریزسٹنس ITO پرت کی پس منظر مزاحمت زیادہ ہے، لہٰذا مقامی شنٹنگ کی رسائی مؤثر طریقے سے محدود رہی اور کبھی پوری ڈیوائس کو نیچے نہیں گھسیٹی۔

کرنٹ ڈینسٹی میں بہتری

(a) 8 nm ITO انٹرکنیکٹ پرت کے تحت پیرووسکائٹ اور سلکان سب سیلز کے EQE منحنی خطوط؛ (b) ابتدائی اور بہتر ٹینڈم سیلز کے EQE منحنی خطوط۔

سامنے کی IZO پرت کو فگر آف میرٹ Aw × Rsheet⁻¹ سے جانچا گیا، اور 45 nm بہترین نکلا۔ انٹرکنیکٹ ITO کو 20 nm سے 10 nm سے 8 nm تک پتلا کرنے نے اوسط Jsc کو 19.78 سے 19.96 سے 20.55 mA cm⁻² تک پہنچا دیا۔ پیرووسکائٹ اور سلکان سب سیلز کی EQE-انٹیگریٹڈ کرنٹ ڈینسٹیز بالترتیب 20.64 اور 20.51 mA cm⁻² تھیں، جو J-V ڈیٹا کے مطابق ہیں۔ 20 nm ITO کے مقابلے میں، 8 nm نے پیرووسکائٹ سب سیل کو اضافی 0.06 mA cm⁻² اور سلکان سب سیل کو اضافی 0.47 دیا، جس میں سلکان بوٹم سیل سے قریب انفراریڈ شراکت نے سب سے زیادہ فائدہ اٹھایا۔

پروڈکٹ ایپلیکیشن

ڈیوائس کی کارکردگی اور استحکام

(a) پیرووسکائٹ/سلکان ٹینڈم سولر سیل کا خاکہ ڈھانچہ اور تصویر؛ (b) ٹینڈم سیل کی کراس سیکشنل SEM تصویر؛ (c) سنگل جنکشن پیرووسکائٹ اور سلکان سب سیلز کے J-V منحنی خطوط؛ (d) اعلیٰ کارکردگی والے سیل کا نمائندہ J-V منحنی خط؛ (e) 30 nm سے 2 nm ITO انٹرکنیکٹ پرتوں پر بنائے گئے پیرووسکائٹ/سلکان ٹینڈم سیلز میں Rs کی تبدیلی؛ (f) 1-sun روشنی کے تحت انکیپسولیٹڈ ٹینڈم سیل کے MPPT ٹیسٹ نتائج۔

ایک بار ITO انٹرکنیکٹ کی موٹائی طے ہو جانے کے بعد، ٹینڈم ڈیوائسز کی اوسط PCE 28.64% سے 30.67% تک بڑھ گئی۔ 2 nm ITO میں سیریز ریزسٹنس Rs 41.26 Ω تک زیادہ تھی، لہٰذا سیریز کنکشن بنیادی طور پر ٹوٹا ہوا تھا۔ 8 nm کا Rs بہت کم تھا، اندرونی امپیڈنس نیچے آئی، اور زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ کے قریب وولٹیج کا نقصان سکڑ گیا۔ استحکام کے لحاظ سے، 8 nm ITO ٹینڈم سیل نے 500 گھنٹے MPPT کے بعد اپنی ابتدائی PCE کا 96% برقرار رکھا، جبکہ 20 nm والے نے صرف 90% رکھا، جو اسے TCO/SAM انٹرکنیکٹ خاندان میں سب سے زیادہ مستحکم میں شامل کرتا ہے۔ اتنا مستحکم کیوں؟ Poly-SAM کی کوریج زیادہ ہے، اور پیرووسکائٹ کرسٹلائزیشن اس کے ساتھ بہتر ہوتی ہے۔

SAM سے ڈھکے علاقوں کی سطحی توانائی کم ہوتی ہے، اور فاسفونک ایسڈ گروپس Pb²⁺ اور FA⁺ کے ساتھ کوآرڈینیٹ کرتے ہیں، پیرووسکائٹ کو آہستہ اور منظم طریقے سے بڑھنے کی رہنمائی کرتے ہیں، لہٰذا دانے بڑے نکلتے ہیں۔ ننگے ITO علاقوں پر ایسا ٹیمپلیٹ اثر نہیں ہوتا، نیوکلیشن تیز اور بے ترتیب چلتا ہے، اور دانے چھوٹے رہ جاتے ہیں جہاں بہت سی دانے کی سرحدیں ہوتی ہیں۔ اس کے علاوہ، Poly-SAM انٹرفیس پر غیر مطمئن بانڈز اور ہالائیڈ خالی جگہوں کو پیسیویٹ کرتا ہے، ہالائیڈ کی منتقلی دب جاتی ہے، اور انحطاط سست ہو جاتا ہے۔ الٹرا تھن ITO خود جو یکساں سطحی پوٹینشل لاتا ہے وہ بھی مدد کرتا ہے، اور کئی عوامل کے ایک ساتھ جمع ہونے سے ڈیوائس کی عمر بڑھ جاتی ہے۔

یہاں MPPT استحکام کی جانچ 3A+ گریڈ کے LED سولر سمیلیٹر پر بطور ایجنگ لائٹ سورس انحصار کرتی ہے، جو سیل کے درجہ حرارت اور ارد گرد کے ماحول کو کئی طریقوں سے کنٹرول کر کے طویل مدتی استحکام کی جانچ چلا سکتا ہے۔

نتیجہ اور آگے کی راہ

8 nm پیرووسکائٹ/سلکان ٹینڈم سیلز کے لیے بہترین ITO انٹرکنیکٹ موٹائی ہے۔ یہ موٹائی پیرووسکائٹ کرسٹلائن معیار کو بلند کرتی ہے اور پیراسٹک جذب کو نیچے رکھتی ہے۔ NiOx میں تبدیلی اور Poly-SAM فنکشنلائزیشن کے بعد، سطحی پوٹینشل زیادہ یکساں ہو جاتا ہے اور ورک فنکشن کی تبدیلی زیادہ نمایاں ہوتی ہے۔ 8 nm ITO سطح پر زیادہ ہائیڈروکسلز ہوتے ہیں، NiOx یکساں پھیلتا ہے، SAM گھنے طور پر جمتا ہے، اور ٹیکسچر پر کنفارمل کوریج کی تصدیق SEM اور EDS سے ہوئی۔ روایتی 20 nm ITO کے مقابلے میں، بہتر ڈیوائس نے 31.80% کی چیمپئن کارکردگی حاصل کی، Jsc میں 0.85 mA cm⁻² کا اضافہ اور 500 گھنٹے MPPT کے بعد ابتدائی کارکردگی کا 96% برقرار رکھا۔

آگے دیکھتے ہوئے، بہتری کی ابھی بہت گنجائش ہے۔ پچھلے ٹیکسچر اور آپٹیکل ریفلیکٹر کو مزید بہتر بنایا جا سکتا ہے تاکہ سلکان بوٹم سیل میں لائٹ ٹریپ مضبوط ہو، اس کا کرنٹ بڑھے، اور کرنٹ میچنگ ٹھیک ہو۔ FF اور Voc مجموعی کارکردگی کو محدود کرنے والے رکاوٹیں بنے ہوئے ہیں، لہٰذا کانٹیکٹ پیسیویشن حکمت عملیوں کو مزید گہرا کرنے کی ضرورت ہے۔ سلکان پر مبنی ٹنل جنکشنز جیسے متبادل انٹرکنیکٹ ڈھانچے بھی آزمانے کے قابل ہیں۔ جب پیداوار تک بڑھانے کی بات آتی ہے، تو TCO کی موٹائی اور میٹلائزیشن گرڈ ڈیزائن کو ایک ساتھ ٹیون کرنا ہوگا، تاکہ بڑے علاقوں پر شیڈنگ زیادہ بھاری نہ ہو اور پس منظر کی ترسیل متاثر نہ ہو۔ اور پتلی پرت کے ساتھ، انڈیم کا استعمال کم ہوتا ہے، لہٰذا پائیداری کو بھی فائدہ ہوتا ہے۔

Ooitech کا نقطہ نظر

یہاں جو چیز نمایاں ہے وہ یہ ہے کہ ITO کے چند نینو میٹر اس 600 nm پیرامڈ ٹیکسچر پر آپٹکس اور کرسٹلائزیشن دونوں کو جھولا دے سکتے ہیں، اور یہی کنفارمل کوریج کا مسئلہ بالکل وہی ہے جو ٹینڈم لائنوں کے لیب کوپنز سے مکمل سائز ماڈیولز تک جانے پر سامنے آتا ہے۔ پروڈکشن فلور پر ٹیبر-اسٹرنگر، لے اپ اور لیمینیشن کے مراحل سب کو ان نازک انٹرکنیکٹ اور SAM انٹرفیسز کا احترام کرنا ہوگا، اور یہیں یکساں، اچھی طرح ٹیون شدہ ماڈیول لائن آلات اپنی اہمیت ثابت کرتے ہیں۔ اگر آپ دیکھنا چاہتے ہیں کہ یہ عمل حقیقی فیکٹری پیمانے پر کیسے لگتے ہیں، تو Ooitech YouTube چینل www.youtube.com/ooitech فالو کرنے کے قابل ہے۔