تحلیل تغییرات بازدهی ناشی از سوراخ‌های سوزنی در سلول‌های خورشیدی پروسکایت

1. مقدمه

سلول‌های خورشیدی پروسکایت (PSCs) به دلیل بهبود سریع بازدهی، که اکنون از ۲۰٪ فراتر رفته است، به عنوان یک فناوری فتوولتائیک پیشرو ظهور کرده‌اند. با این حال، یک مانع حیاتی برای تجاری‌سازی، تغییرات قابل توجه عملکرد مشاهده شده بین دستگاه‌های ساخته شده در آزمایشگاه‌های مختلف است. یک عامل اصلی مشکوک، کنترل ضعیف ریخت‌شناسی در هنگام رسوب‌دهی لایه پروسکایت است که منجر به پوشش سطحی غیرایده‌آل و تشکیل سوراخ‌های سوزنی می‌شود. این نقص‌ها نقاط تماس مستقیمی بین لایه انتقال الکترون (ETL) و لایه انتقال حفره (HTL) ایجاد می‌کنند که می‌توانند به عنوان مراکز بازترکیب عمل کرده و جذب فوتون را کاهش دهند. این مقاله از شبیه‌سازی‌های عددی دقیق و مدل‌های تحلیلی برای کمّی‌سازی تأثیر توزیع اندازه سوراخ‌های سوزنی و پوشش سطحی خالص بر پارامترهای کلیدی عملکرد استفاده می‌کند: چگالی جریان اتصال کوتاه ($J_{SC}$) و ولتاژ مدار باز ($V_{OC}$).

2. سیستم مدل

این مطالعه یک ساختار استاندارد سلول خورشیدی پروسکایت n-i-p را مدل می‌کند. نوآوری اصلی، گنجاندن صریح "حفره‌ها" یا سوراخ‌های سوزنی در داخل لایه پروسکایت است که نشان‌دهنده مناطق با پوشش سطحی ضعیف (نشان داده شده با ضریب پوشش $s$) است. سلول واحد برای شبیه‌سازی شامل یک بخش پروسکایت و یک منطقه حفره مجاور با عرض مرتبط با اندازه سوراخ سوزنی است. مدل دو مکانیسم اتلاف اصلی را در نظر می‌گیرد: (۱) کاهش جذب نوری به دلیل فقدان ماده پروسکایت، و (۲) افزایش بازترکیب حامل در سطح مشترک در معرض ETL/HTL درون حفره.

3. بینش اصلی، روند منطقی

بینش اصلی: تمرکز جامعه بر حذف تمام سوراخ‌های سوزنی ممکن است اغراق‌آمیز باشد. این کار یک یافته حیاتی و ضد شهودی ارائه می‌دهد: ولتاژ مدار باز ($V_{OC}$) یک سلول خورشیدی پروسکایت مقاومت قابل توجهی در برابر ریخت‌شناسی سوراخ‌های سوزنی (توزیع اندازه آن‌ها) نشان می‌دهد و در عوض به مقدار خالص ماده از دست رفته (پوشش سطحی، $s$) اهمیت می‌دهد. این امر مسیرهای بهینه‌سازی برای $J_{SC}$ و $V_{OC}$ را از هم جدا می‌کند.

روند منطقی: تحلیل از اصول اولیه ساخته می‌شود. با تعریف یک سلول واحد با یک منطقه پروسکایت و یک حفره شروع می‌شود و تولید نوری و انتقال حامل را مدل می‌کند. گام کلیدی جداسازی تلفات است: تلفات نوری در حفره مستقیماً به $J_{SC}$ ضربه می‌زند، در حالی که تلفات بازترکیب در سطح مشترک ETL/HTL بر هر دو $J_{SC}$ و $V_{OC}$ تأثیر می‌گذارد. شبیه‌سازی پارامترهایی مانند عرض حفره (اندازه سوراخ سوزنی) و سرعت بازترکیب سطح مشترک را پوشش می‌دهد. نتیجه ظریف این است که $V_{OC}$، که توسط شکاف سطح فرمی شبه‌تعادلی کنترل می‌شود، اگر بازترکیب سطح مشترک مدیریت شود، صرف نظر از اینکه حفره یک سوراخ سوزنی بزرگ است یا بسیاری سوراخ کوچک با همان مساحت کل، پایدار می‌ماند. $J_{SC}$، به عنوان یک جریان انتگرالی، مستقیماً توسط ناحیه جذب از دست رفته تحلیل می‌رود و آن را به توزیع فضایی آن حفره‌ها حساس می‌کند.

4. نقاط قوت و ضعف

نقاط قوت:

• نتیجه‌گیری تغییر دهنده پارادایم: دگم غالب "بدون سوراخ سوزنی به هر قیمتی" را به چالش می‌کشد و دیدگاه ظریف‌تری از تحمل نقص ارائه می‌دهد.
• روش‌شناسی قوی: شبیه‌سازی عددی را با مدل‌های تحلیلی پشتیبان ترکیب می‌کند و هم عمق و هم وضوح مفهومی را فراهم می‌کند.
• کاربرد عملی: روش تشخیصی پیشنهادی مبتنی بر I-V برای پوشش سطحی، یک ابزار بالقوه ارزشمند و کم‌هزینه برای نظارت بر فرآیند در تحقیق و توسعه و تولید است.
• آینده‌نگر: در را به روی "مهندسی سطح مشترک" به عنوان یک استراتژی مکمل یا حتی جایگزین برای کنترل ریخت‌شناسی کامل باز می‌کند.

نقاط ضعف و محدودیت‌ها:

• هندسه بیش از حد ساده شده: مدل سلول واحد ۱ بعدی/۲ بعدی با حفره‌های منظم، در مقایسه با شبکه‌های پیچیده و نامنظم سوراخ‌های سوزنی مشاهده شده در فیلم‌های پوشش دورانی واقعی، یک ساده‌سازی شدید است (مشابه تفاوت بین یک تبدیل تصویر کنترل شده سبک CycleGAN و داده‌های پرنویز دنیای واقعی).
• عدم وابستگی به ماده: مدل از پارامترهای نیمه‌هادی عمومی استفاده می‌کند. مسیرهای تخریب وابسته به شیمی خاصی را که سوراخ‌های سوزنی ممکن است تشدید کنند، مانند نفوذ رطوبت یا مهاجرت یونی، که برای پایداری پروسکایت حیاتی هستند، در بر نمی‌گیرد.
• عدم اعتبارسنجی آزمایشگاهی: این مطالعه صرفاً محاسباتی است. اگرچه استدلال‌ها منطقی هستند، اما برای قانع‌کنندگی کامل، همبستگی با یک مجموعه داده آزمایشگاهی کنترل شده با توزیع‌های کمّی شده سوراخ سوزنی مورد نیاز است.

5. بینش‌های کاربردی

برای محققان و مهندسان، این مقاله یک تغییر جهت استراتژیک را پیشنهاد می‌کند:

1. بازتعیین اولویت‌های مشخصه‌یابی: فقط سوراخ‌های سوزنی را از تصاویر SEM شمارش نکنید؛ پوشش سطحی الکترونیکی مؤثر را با استفاده از روش پیشنهادی I-V یا روش‌های تشخیصی الکتریکی مشابه کمّی کنید.
2. بهینه‌سازی دو مسیره: به طور موازی در دو جبهه کار کنید: (الف) بهبود ریخت‌شناسی برای افزایش $J_{SC}$، و (ب) مهندسی تماس‌های با بازترکیب فوق‌العاده کم (ETL/HTL) برای محافظت از $V_{OC}$ و ایجاد یک بافر در برابر نقص‌های ریخت‌شناسی اجتناب‌ناپذیر. به مواد قهرمان مورد استفاده در سلول‌های با بازده رکورد از مؤسساتی مانند آکسفورد پی‌وی یا KAUST نگاه کنید.
3. بازاندیشی در پنجره‌های فرآیند: یک فرآیند رسوب‌دهی که پوشش سطحی کمی پایین‌تر اما با خواص سطح مشترک عالی تولید می‌کند، ممکن است نسبت به یک فرآیند شکننده که هدف آن پوشش کامل ۱۰۰٪ است، قابلیت تولید بیشتری داشته و میانگین عملکرد بالاتری ایجاد کند.
4. شاخص شایستگی جدید: برای لایه‌های سطح مشترک، "سرعت بازترکیب در تماس در معرض ETL/HTL" را به عنوان یک معیار کلیدی در کنار معیارهای سنتی مانند رسانایی در اولویت قرار دهید.

6. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

تحلیل اصلی بر حل معادلات پیوستگی حامل و پواسون در هندسه سلول واحد تعریف شده استوار است. نرخ فوتوژنریشن $G(x)$ با استفاده از روش‌های ماتریس انتقال نوری، با در نظر گرفتن اثرات تداخل محاسبه می‌شود. بینش تحلیلی کلیدی، $V_{OC}$ را به پوشش سطحی $s$ و جریان بازترکیب در سطح مشترک $J_{rec,int}$ مرتبط می‌کند:

$V_{OC} \approx \frac{n k T}{q} \ln\left(\frac{J_{ph}}{J_{0, bulk} + (1-s) J_{0, int}}\right)$

که در آن $J_{ph}$ جریان فوتونی، $J_{0, bulk}$ چگالی جریان اشباع حجم پروسکایت، و $J_{0, int}$ چگالی جریان اشباع سطح مشترک مستقیم ETL/HTL درون حفره است. این معادله به وضوح نشان می‌دهد که تخریب $V_{OC}$ به عبارت $(1-s)J_{0,int}$ وابسته است. اگر $J_{0,int}$ بتواند از طریق مهندسی سطح مشترک به اندازه کافی کوچک ساخته شود، تأثیر پوشش کم $(1-s)$ کاهش می‌یابد.

جریان اتصال کوتاه با انتگرال‌گیری از جریان فوتوژنریت شده‌ای که در منطقه حفره یا به دلیل بازترکیب از دست نرفته است، تقریب زده می‌شود:

$J_{SC} \approx s \cdot J_{ph, ideal} - q (1-s) \int U_{int} dx$

که در آن $U_{int}$ نرخ بازترکیب در سطح مشترک است و وابستگی مستقیم به هر دو $s$ و فعالیت بازترکیب را نشان می‌دهد.

7. نتایج آزمایشگاهی و توصیف نمودار

خلاصه نتایج شبیه‌سازی شده: شبیه‌سازی‌های عددی دو مجموعه نتیجه اولیه را که در نمودارهای کلیدی تجسم یافته‌اند، به دست می‌دهند.

نمودار ۱: $J_{SC}$ و $V_{OC}$ در مقابل اندازه سوراخ سوزنی (برای پوشش ثابت). این نمودار نشان می‌دهد که $J_{SC}$ با افزایش اندازه مشخصه سوراخ سوزنی کاهش می‌یابد، حتی برای مساحت کل حفره ثابت، به دلیل افزایش نسبت محیط به مساحت و بازترکیب مرتبط با آن. در مقابل، منحنی $V_{OC}$ نسبتاً صاف باقی می‌ماند که نشان‌دهنده عدم حساسیت آن به توزیع اندازه است.

نمودار ۲: بازدهی در مقابل پوشش سطحی برای سرعت‌های مختلف بازترکیب سطح مشترک (SRV). این گویاترین نمودار است. چندین منحنی را نشان می‌دهد: برای SRV بالا (سطح مشترک ضعیف)، بازدهی با کاهش پوشش به سرعت سقوط می‌کند. برای SRV کم (سطح مشترک عالی)، منحنی بازدهی بالا و صاف باقی می‌ماند و نشان می‌دهد که حتی دستگاه‌های با پوشش ۸۰-۹۰٪ می‌توانند >۹۰٪ بازدهی سلول ایده‌آل را حفظ کنند. این به صورت بصری استدلال اصلی مقاله را برای مهندسی سطح مشترک خلاصه می‌کند.

8. چارچوب تحلیل: یک مثال موردی

سناریو: یک گروه تحقیقاتی PSCها را با یک جوهر پیش‌ماده جدید می‌سازد. تحلیل SEM پوشش سطحی حدود ۹۲٪ را نشان می‌دهد، اما سوراخ‌های سوزنی بزرگ‌تر از دستورالعمل استاندارد آن‌ها به نظر می‌رسند. تحلیل سنتی: نتیجه‌گیری می‌کند که جوهر جدید به دلیل سوراخ‌های سوزنی بزرگ‌تر پایین‌تر است، بر رفع ریخت‌شناسی تمرکز می‌کند. تحلیل مبتنی بر چارچوب (از این مقاله):

1. اندازه‌گیری خروجی الکتریکی: $V_{OC}$ و $J_{SC}$ را از منحنی I-V استخراج کنید.
2. تشخیص: اگر $V_{OC}$ بالا باقی بماند (نزدیک به خط پایه با پوشش ۹۸٪)، نشان می‌دهد که سطح مشترک ETL/HTL سرعت بازترکیب کمی دارد ($J_{0,int}$ کوچک است). تلفات اصلی در $J_{SC}$ است.
3. علت ریشه‌ای و اقدام: مشکل عمدتاً نوری است (ناحیه جذب از دست رفته). مسیر راه‌حل، بهبود تشکیل فیلم برای افزایش پوشش است، نه لزوماً تغییر مواد سطح مشترک. اندازه بزرگ سوراخ سوزنی برای ولتاژ نگرانی کمتری دارد.
4. کمّی‌سازی: از مدل تحلیلی برای محاسبه معکوس یک $J_{0,int}$ مؤثر استفاده کنید و تأیید کنید که کم است. این کیفیت سطح مشترک را تأیید می‌کند.

9. چشم‌انداز کاربردی و جهت‌های آینده

بینش‌های حاصل از این کار پیامدهای مستقیمی برای تولید مقیاس‌پذیر PSCها دارد.

• تحمل ساخت: با تعریف یک پنجره "قابل قبول الکتریکی" برای پوشش سطحی (مثلاً >۹۰٪) به جای یک هدف کمال‌گرا، تکنیک‌های رسوب‌دهی مانند پوشش شیار-دای یا پوشش تیغه‌ای امکان‌پذیرتر می‌شوند، زیرا اغلب فیلم‌هایی با زبری بالاتر اما پوشش قابل قبول تولید می‌کنند.
• طراحی سطح مشترک پایدار: تحقیقات آینده باید بر توسعه لایه‌های تماس پسیواسیون "جهانی" متمرکز شود که همزمان انتخاب‌پذیری بار عالی و بازترکیب فوق‌العاده کم در هر سطح مشترک در معرض را فراهم کنند. موادی مانند لایه‌های تک‌لایه خودآرا (SAMs) یا اکسیدهای با گاف نواری وسیع، کاندیدهای امیدوارکننده‌ای هستند.
• تشخیص‌های یکپارچه: تحلیل پیشنهادی I-V می‌تواند در سیستم‌های کنترل کیفیت درون خطی در یک خط تولید پایلوت برای نظارت بر یکنواختی پوشش در زمان واقعی ادغام شود.
• گسترش به سلول‌های تاندم: این اصل برای سلول‌های تاندم پروسکایت-سیلیکون حیاتی است. سلول بالایی پروسکایت، که اغلب بر روی سیلیکون بافت‌دار رسوب داده می‌شود، ذاتاً پوشش ناقصی خواهد داشت. مهندسی یک سطح مشترک تقریباً عاری از بازترکیب بین لایه انتقال بار پروسکایت و سلول پایینی سیلیکون (یا لایه میانی) برای حفظ $V_{OC}$ بالا در پشته تاندم بسیار مهم است.

10. مراجع

1. Agarwal, S., & Nair, P. R. (سال). Pinhole induced efficiency variation in perovskite solar cells. Journal Name, Volume(Issue), pages. (مقاله تحلیل شده).
2. آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر (NREL). نمودار بازدهی بهترین سلول تحقیقاتی. بازیابی شده از https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
3. Green, M. A., et al. (2021). Solar cell efficiency tables (Version 57). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 29(1), 3-15.
4. Rong, Y., et al. (2018). Challenges for commercializing perovskite solar cells. Science, 361(6408), eaat8235.
5. Zhu, H., et al. (2022). Interface engineering for perovskite solar cells. Nature Reviews Materials, 7(7), 573-589.
6. Isola, P., et al. (2017). Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). (به عنوان یک قیاس برای تبدیل داده‌های پیچیده و غیرایده‌آل ذکر شده است).
7. آکسفورد پی‌وی. فناوری سلول خورشیدی پروسکایت. https://www.oxfordpv.com/technology