বড় এলাকার অল-পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম মডিউলে 26.2% প্রত্যয়িত দক্ষতার অগ্রগতি: In₂O₃ ন্যানোক্রিস্টাল টানেল রিকম্বিনেশন জংশন

ভূমিকা

অল-পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম সোলার মডিউলগুলিকে তাদের উচ্চ দক্ষতা এবং কম খরচের সম্ভাবনার কারণে পরবর্তী প্রজন্মের ফটোভোলটাইক প্রযুক্তির জন্য একটি শক্তিশালী প্রতিযোগী হিসাবে ব্যাপকভাবে বিবেচনা করা হয়। তবে বড় এলাকায় বাণিজ্যিকীকরণ গুরুতরভাবে বাধাগ্রস্ত হয়েছে। ছোট এলাকার ডিভাইসগুলি ইতিমধ্যে 30% দক্ষতা অতিক্রম করলেও, বড় এলাকার মডিউলগুলি (≥20 cm²) দীর্ঘদিন ধরে প্রায় 24.5% এ আটকে আছে। প্রধান কারণগুলি হল প্রচলিত সোনা-ভিত্তিক টানেল রিকম্বিনেশন জংশন (TRJ) এ Au/PEDOT:PSS কাঠামোর শক্তিশালী নিকট-ইনফ্রারেড প্যারাসাইটিক শোষণ এবং ইন্টারফেসিয়াল তাপীয় অস্থিরতা, পাশাপাশি ব্লেড কোটিংয়ের সময় অসম স্ফটিকায়নের কারণে বড় এলাকার Pb-Sn পেরোভস্কাইট ফিল্মে চার্জ পরিবহনের অবনতি।

এই গবেষণাটি পৃষ্ঠ-ইঞ্জিনিয়ারড In₂O₃ ন্যানোক্রিস্টালের উপর নির্মিত একটি দ্রবণ-প্রক্রিয়াজাত TRJ তৈরি করে। ন্যানোক্রিস্টাল মরফোলজি এবং পৃষ্ঠ রসায়ন টিউন করে, দলটি উচ্চ অপটিক্যাল স্বচ্ছতা, মসৃণ ইন্টারফেস এবং আদর্শ শক্তি-স্তরের সারিবদ্ধতা অর্জন করেছে। একই সময়ে, Pb-Sn পেরোভস্কাইট অগ্রদূতে ফসফোনিক-অ্যাসিড-টাইপ অ্যাডিটিভ যুক্ত করা হয়েছিল In₂O₃ পুনঃসংযোগ স্তরের সাথে ইলেকট্রনিক যোগাযোগ উন্নত করতে, গর্ত নিষ্কাশন বাড়াতে এবং বড়-ক্ষেত্রের ফিল্মে অবশিষ্ট স্ট্রেন কমাতে ক্রিস্টালাইজেশন গতিবিদ্যা টিউন করতে। এই সম্মিলিত কৌশলটি জংশনে ক্যারিয়ার পুনঃসংযোগ দক্ষতা, চার্জ নিষ্কাশন এবং বড়-ক্ষেত্রের ফিল্মের একরূপতা একসাথে বাড়িয়ে তোলে, শেষ পর্যন্ত 65 cm² অ্যাপারচার এলাকায় JET-প্রত্যয়িত 26.2% দক্ষতা (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) প্রদান করে — যা সমস্ত-পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম ফটোভোল্টাইক স্কেল আপ করার পথে একটি মূল মাইলফলক।

নতুন TRJ-এর নকশা এবং সুবিধা

কাজটি একটি দ্রবণ-প্রক্রিয়াজাত বিকল্প প্রস্তাব করে: পৃষ্ঠ-ইঞ্জিনিয়ারড ইন্ডিয়াম অক্সাইড ন্যানোক্রিস্টাল (In₂O₃ NCs) থেকে নির্মিত একটি নতুন TRJ (টাইপ III)। এটি প্রচলিত Au/PEDOT:PSS টাইপ I কাঠামো এবং বাণিজ্যিক ITO ন্যানোক্রিস্টালের উপর ভিত্তি করে টাইপ II কাঠামোর সাথে পদ্ধতিগতভাবে তুলনা করা হয়েছে।

গঠন এবং ইন্টারফেস বৈশিষ্ট্য

স্ব-সংশ্লেষিত In₂O₃ NC-গুলির বাণিজ্যিক ITO NC-গুলির তুলনায় অনেক ছোট কণার আকার রয়েছে, যা একটি মসৃণ সমাহিত ইন্টারফেস গঠন করে এবং কার্যকরভাবে যোগাযোগের ত্রুটির ঘনত্ব হ্রাস করে। বৈদ্যুতিক পরীক্ষাগুলি দেখায় যে টাইপ III কাঠামো কোনো চার্জ পরিবহন বাধা ছাড়াই আদর্শ ওহমিক যোগাযোগ আচরণ প্রদর্শন করে।

অপটিক্যাল এবং তাপীয় স্থিতিশীলতা

অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্যায়ন দেখায় যে টাইপ I-তে PEDOT:PSS গুরুতর প্যারাসাইটিক শোষণ ক্ষতি ঘটায়, যেখানে In₂O₃ NC ফিল্মটি অত্যন্ত অপটিক্যালি স্বচ্ছ। 85°C ত্বরিত তাপীয় বার্ধক্যের অধীনে, টাইপ I মডিউলের দক্ষতা 50 ঘন্টার মধ্যে তার প্রাথমিক মানের অর্ধেকের নিচে নেমে গেছে, যখন NC-ভিত্তিক টাইপ II এবং টাইপ III 200 ঘন্টা পরে প্রাথমিক দক্ষতার প্রায় 75% ধরে রেখেছে। 10×10 cm² সাবস্ট্রেটে, ব্লেড-কোটেড NC ফিল্মগুলি পাতলা তাপীয়ভাবে বাষ্পীভূত Au ফিল্মগুলির তুলনায় অনেক বেশি অভিন্ন অপটিক্যাল শোষণ দেখিয়েছে, যা স্কেলেবল ম্যানুফ্যাকচারিংয়ে দ্রবণ-প্রক্রিয়াজাত ন্যানোক্রিস্টালের অন্তর্নিহিত সুবিধা সম্পূর্ণরূপে প্রদর্শন করে।

বড়-ক্ষেত্রের পেরোভস্কাইট ফিল্ম ফ্যাব্রিকেশন অপ্টিমাইজ করা

TRJ-এর অপটিক্যাল ক্ষতি এবং অস্থিরতা সমাধান হওয়ার সাথে সাথে, বড়-ক্ষেত্রের Pb-Sn পেরোভস্কাইট ফিল্মগুলির অভিন্ন ফ্যাব্রিকেশন পরবর্তী প্রযুক্তিগত বাধা হয়ে দাঁড়িয়েছে। প্রচলিত DMF/DMSO দ্রাবক সিস্টেমগুলির উচ্চ স্ফুটনাঙ্ক এবং ধীর উদ্বায়ীতা রয়েছে, তাই উচ্চ-গতির ব্লেড কোটিংয়ের সময় তাদের নিউক্লিয়েশন গতিবিদ্যা পিছিয়ে যায়, বড় সাবস্ট্রেটে অভিন্ন ফিল্ম গঠন করা কঠিন করে তোলে।

এটি সমাধানের জন্য, দলটি 2-মিথক্সিইথানল (2-Me) এবং টেট্রাহাইড্রোফুরান (THF) ভিত্তিক একটি বাইনারি দ্রাবক সিস্টেম তৈরি করেছে। এর নিম্ন স্ফুটনাঙ্ক এবং উচ্চ বাষ্পচাপের কারণে, এই সিস্টেমটি দ্রুত ক্রিটিক্যাল সুপারস্যাচুরেশনে পৌঁছে এবং নিউক্লিয়েশনকে উল্লেখযোগ্যভাবে ত্বরান্বিত করে। এটি ব্যবহার করে, Pb-Sn পেরোভস্কাইট ব্লেড-কোটিং গতি ঐতিহ্যবাহী DMF সিস্টেমের 5 mm/s থেকে 30 mm/s পর্যন্ত বৃদ্ধি করা হয়েছে, যা 10×10 cm² এবং তার চেয়ে বড় সাবস্ট্রেটে অত্যন্ত সমজাতীয় ফটোলুমিনেসেন্স (PL) তীব্রতা এবং চমৎকার ডিভাইস ধারাবাহিকতা প্রদান করে। এটি সফলভাবে বড় এলাকার কোটিংয়ের ক্রিস্টালাইজেশন-কাইনেটিক্স চ্যালেঞ্জ ভেঙে দিয়েছে এবং 65 cm² অ্যাপারচার এলাকায় 17.5% দক্ষতার প্রাথমিক যাচাই অর্জন করেছে।

সারফেস লিগ্যান্ড ইঞ্জিনিয়ারিং এবং এনার্জি-লেভেল ম্যাচিং

PEDOT:PSS অপসারণের পর, অপটিক্যাল ক্ষতি কমেছে, কিন্তু ওপেন-সার্কিট ভোল্টেজ (VOC) এবং ফিল ফ্যাক্টর (FF) হ্রাস পেয়েছে, যা পেরোভস্কাইট এবং NC স্তরের মধ্যে বর্ধিত ইন্টারফেসিয়াল পরিবহন বাধা এবং নন-রেডিয়েটিভ রিকম্বিনেশনের জন্য দায়ী। এটি মোকাবেলায়, গবেষণাটি একটি দ্বৈত সমন্বিত অপ্টিমাইজেশন কৌশল প্রয়োগ করেছে:

সারফেস লিগ্যান্ড ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের মাধ্যমে শক্তির স্তর টিউন করা

লিগ্যান্ড এক্সচেঞ্জের মাধ্যমে, MMES এবং MMPA ব্যবহার করে In₂O₃ NC-এর পৃষ্ঠ পরিবর্তন করা হয়েছে। UV ফটোইলেক্ট্রন স্পেকট্রোস্কোপি (UPS) দেখিয়েছে যে MMPA-পরিবর্তিত In₂O₃ NC টার্গেট পেরোভস্কাইট ফিল্মের সাথে অনুকূল ইন্টারফেসিয়াল ব্যান্ড বেন্ডিং (প্রায় 50 meV উপরের দিকে বাঁক) অর্জন করে, যা হোল নিষ্কাশনকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করে, যেখানে OAm বা MMES পরিবর্তনের ফলে নিচের দিকে বাঁক এবং পরিবহন বাধা সৃষ্টি হয়। স্পেস-চার্জ-লিমিটেড কারেন্ট (SCLC) পরীক্ষায় লিগ্যান্ডের গতিশীলতার উপর কোনো হস্তক্ষেপ বাতিল করা হয়েছে, নিশ্চিত করে যে কর্মক্ষমতা লাভ মূলত অপ্টিমাইজড এনার্জি-লেভেল অ্যালাইনমেন্ট থেকে আসে।

ফসফোনিক-অ্যাসিড হোল-সিলেক্টিভ ম্যাটেরিয়াল (HSM) দিয়ে বাল্ক ডোপিং

দলটি MeO-2PACz-এর মতো ফসফোনিক-অ্যাসিড HSM সরাসরি Pb-Sn পেরোভস্কাইট প্রিকার্সরে (0.2 mol% এ অপ্টিমাইজড) ডোপ করেছে, শুধুমাত্র ইন্টারফেস পরিবর্তনের মধ্যে সীমাবদ্ধ না রেখে। এই বাল্ক ডোপিং কৌশলটি বড় এলাকায় অসম SAM কভারেজের সমস্যা এড়ায়। UPS দেখিয়েছে যে HSM ডোপিংয়ের পর পেরোভস্কাইটের ওয়ার্ক ফাংশন 5.04 eV থেকে 4.81 eV-তে স্থানান্তরিত হয়েছে, ভ্যালেন্স ব্যান্ড সর্বোচ্চ উপরে উঠেছে এবং n-টাইপ চরিত্র দুর্বল হয়েছে, যা In₂O₃ NC-এর শক্তির স্তরের সাথে আরও ভালভাবে মেলে। ফলস্বরূপ HTL-মুক্ত একক-জাংশন Pb-Sn কোষ 23% দক্ষতায় পৌঁছেছে, যখন In₂O₃-MMPA NC-কে হোল ট্রান্সপোর্ট লেয়ার (HTL) হিসাবে ব্যবহার করে একটি ব্লেড-কোটেড ডিভাইস 24.0% রিভার্স-স্ক্যান দক্ষতা অর্জন করেছে যার JSC 33.8 mA cm⁻² পর্যন্ত।

পেরোভস্কাইট ফিল্মে HSM-এর একাধিক ভূমিকা

HSM-এর ভূমিকা চার্জ পরিবহনের বাইরেও বিস্তৃত — এটি ফিল্মের ক্রিস্টালাইজেশন এবং ত্রুটি প্যাসিভেশনকে গভীরভাবে প্রভাবিত করে:

ক্রিস্টালাইজেশন নিয়ন্ত্রণ এবং ত্রুটি দমন

স্ক্যানিং ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (SEM) দেখিয়েছে যে HSM ডোপিংয়ের পরে Pb-Sn ফিল্মে শস্যের সীমানা অতিক্রমকারী ডেনড্রাইটিক অমেধ্য অদৃশ্য হয়ে গেছে, শস্যের আকার উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে এবং শস্যের সীমানাগুলি 'ফিউজড' চেহারা নিয়েছে। GIWAXS এবং XRD নিশ্চিত করেছে যে HSM কার্যকরভাবে PbI₂ অমেধ্য-ফেজ গঠন দমন করেছে। তরল-অবস্থা ¹H NMR আরও প্রকাশ করেছে যে HSM, প্রিফারেনশিয়াল ডিপ্রোটোনেশনের মাধ্যমে, মুক্ত অ্যাসিডিক ফসফোনিক গ্রুপগুলি গ্রহণ করে, যার ফলে FA⁺ ক্যাটায়নের অ্যাসিডিক ডিপ্রোটোনেশন প্রতিরোধ করে এবং অগ্রদূত রসায়নকে স্থিতিশীল করে।

উন্নত ক্যারিয়ার গতিবিদ্যা

ট্রানজিয়েন্ট অ্যাবজর্পশন স্পেকট্রোস্কোপি (TAS) দেখিয়েছে যে HSM ডোপিংয়ের পরে ত্রুটি-সহায়ক নন-রেডিয়েটিভ রিকম্বিনেশন উল্লেখযোগ্যভাবে দমন করা হয়েছে। স্থির-অবস্থা PL তীব্রতা তীব্রভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে, গড় PL জীবনকাল 1042 ns থেকে 1889 ns পর্যন্ত বেড়েছে, বিশেষ করে নীচের ইন্টারফেসে শক্তিশালী প্যাসিভেশন সহ, কার্যকরভাবে সমাহিত ইন্টারফেসে চার্জ ট্র্যাপিং হ্রাস করেছে। OPTP স্পেকট্রোস্কোপি দেখিয়েছে যে টার্গেট ফিল্মের ক্যারিয়ার গতিশীলতা 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ থেকে 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ এবং ডিফিউশন দৈর্ঘ্য 2.65 μm থেকে 4.78 μm পর্যন্ত বৃদ্ধি পেয়েছে, যা বাল্ক ফিল্মের গুণমানে সর্বাঙ্গীণ উন্নতি নিশ্চিত করে।

বৃহৎ-ক্ষেত্র মডিউল কর্মক্ষমতা এবং স্থিতিশীলতা

এই সমন্বিত কৌশলগুলির উপর ভিত্তি করে, দলটি 65 cm² অ্যাপারচার এলাকা (সিরিজে 14টি উপ-কোষ) সহ একটি অল-পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম মডিউল তৈরি করেছে। টাইপ III (In₂O₃-MMPA) TRJ ব্যবহার করে চ্যাম্পিয়ন মডিউলটি 26.6% ল্যাব-পরীক্ষিত দক্ষতা (রিভার্স স্ক্যান) অর্জন করেছে, যার VOC 30.4 V, JSC 1.12 mA cm⁻², এবং FF 78.2%। এর JET-প্রত্যয়িত স্থিতিশীল দক্ষতা 26.2% এ পৌঁছেছে, যা প্রচলিত টাইপ I TRJ (24.8%) ব্যবহার করে নিয়ন্ত্রণ মডিউলকে স্পষ্টভাবে ছাড়িয়ে গেছে। ডেড-জোন অপ্টিমাইজেশনের পরে, জ্যামিতিক ফিল ফ্যাক্টর 96.5% এ পৌঁছেছে, যা 27.6% পর্যন্ত সমতুল্য সক্রিয়-ক্ষেত্র দক্ষতা দিয়েছে। EQE স্থানিক ম্যাপিং দেখিয়েছে যে, 16টি ভিন্ন অবস্থান জুড়ে, উপরের এবং নীচের উপ-কোষের সমন্বিত বর্তমান ঘনত্ব যথাক্রমে গড়ে 16.3 এবং 16.2 mA cm⁻² — যা J-V ফলাফলের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে মেলে এবং পূর্বে রিপোর্ট করা সাব-15 mA cm⁻² মডিউল বাধা ভেঙে দিয়েছে।

নির্ভরযোগ্যতার দিক থেকে, IEC 61215:2021 মান অনুসারে, এনক্যাপসুলেটেড টাইপ III মডিউলটি ক্রমাগত 1-সান MPP ট্র্যাকিংয়ের অধীনে 771 ঘন্টার T90 জীবনকাল (প্রাথমিক দক্ষতার 90% ধরে রাখা) অর্জন করেছে এবং 1000 ঘন্টা পরেও 82.5% দক্ষতা ধরে রেখেছে। কঠোর 85°C/85% RH ড্যাম্প-হিট পরীক্ষায় (ISOS-D-3), টাইপ III মডিউলটি গড়ে 1000 ঘন্টার T84 জীবনকাল অর্জন করেছে, যেখানে টাইপ I মডিউলটি ইতিমধ্যে 40% দক্ষতার নিচে নেমে গিয়েছিল; -40°C থেকে 85°C তাপীয় সাইক্লিং পরীক্ষায় (ISOS-T-3), টাইপ III মডিউলটি 200 চক্রের পরে প্রাথমিক দক্ষতার 93% ধরে রেখেছে। সমস্ত ত্বরিত বার্ধক্য পরীক্ষা নিশ্চিত করেছে যে টাইপ III-এর অসাধারণ স্থিতিশীলতা PEDOT:PSS দ্বারা সৃষ্ট অস্থিতিশীলতার কারণগুলি সম্পূর্ণরূপে দূর করার ফলে এসেছে।

সারফেস-ইঞ্জিনিয়ারড In₂O₃ ন্যানোক্রিস্টাল রিকম্বিনেশন জংশন এবং সমন্বিত বাল্ক/ইন্টারফেস HSM ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের মাধ্যমে, এই কাজটি 65 cm² অ্যাপারচার এলাকায় 26.2% প্রত্যয়িত দক্ষতা সম্পূর্ণ পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম সোলার মডিউল সফলভাবে অর্জন করেছে, যা মডিউলের আকার, দক্ষতা এবং অপারেশনাল স্থিতিশীলতায় ব্যাপক অগ্রগতি এনেছে। এই কাজটি সম্পূর্ণ পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম ফটোভোলটাইক প্রযুক্তির বাণিজ্যিকীকরণের সম্ভাবনা দৃঢ়ভাবে প্রদর্শন করে। সামনের দিকে, মডিউল এলাকা 800 cm² এর বাইরে নিয়ে যাওয়ার জন্য স্লট-ডাই কোটিংয়ের মতো জমা প্রক্রিয়া এবং ভ্যাকুয়াম-সহায়ক ক্রিস্টালাইজেশনের মতো পদ্ধতির সমন্বিত অপ্টিমাইজেশন প্রয়োজন, যাতে বড় এলাকার প্রশস্ত- এবং সংকীর্ণ-ব্যান্ডগ্যাপ সাব-সেলগুলির উচ্চ-মানের, অভিন্ন উত্পাদন নিশ্চিত করা যায়।

রেফারেন্স এবং পরীক্ষার সরঞ্জাম

একটি A+AA+ গ্রেড LED সোলার সিমুলেটরকে বার্ধক্য উৎস হিসাবে ব্যবহার করে একটি কম্পোজিট পেরোভস্কাইট MPPT পরীক্ষক উন্নত প্রযুক্তি এবং বহুমুখী নকশার মাধ্যমে পেরোভস্কাইট সোলার সেল গবেষণায় শক্তিশালী সহায়তা প্রদান করে। এই ধরনের যন্ত্রগুলি প্রধানত সমাপ্ত পেরোভস্কাইট একক-জংশন এবং ট্যান্ডেম কোষের স্থিতিশীলতা পরীক্ষার জন্য ব্যবহৃত হয়। যেহেতু পেরোভস্কাইট কোষের আউটপুট বৈশিষ্ট্যগুলি আলো এবং তাপমাত্রার মতো পরিবেশগত কারণগুলির দ্বারা সহজেই প্রভাবিত হয়, সর্বোচ্চ পাওয়ার পয়েন্ট ঘন ঘন ওঠানামা করে। একটি MPPT কন্ট্রোলার রিয়েল টাইমে সর্বোচ্চ পাওয়ার পয়েন্ট ট্র্যাক এবং লক করে, নিশ্চিত করে যে সিস্টেমটি সর্বদা সর্বোত্তম পাওয়ার আউটপুটে কাজ করে।

রেফারেন্স: ন্যানোক্রিস্টাল-টেইলারড রিকম্বিনেশন ফর অল-পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম সোলার মডিউলস

Ooitech-এর দৃষ্টিভঙ্গি

Ooitech বিশ্বাস করে: সারফেস-ইঞ্জিনিয়ারড In₂O₃ ন্যানোক্রিস্টাল রিকম্বিনেশন জংশন এবং HSM বাল্ক/ইন্টারফেস ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের সমন্বয়ে বড় এলাকার অল-পেরোভস্কাইট ট্যান্ডেম মডিউলগুলিকে 26.2% প্রত্যয়িত দক্ষতায় পৌঁছে দিয়েছে, যা এই প্রযুক্তিকে বাণিজ্যিকীকরণের দিকে একটি নির্ধারক পদক্ষেপ এগিয়ে নিয়ে গেছে।