研究の背景と課題

ペロブスカイト/シリコン積層太陽電池は単接合電池の効率限界を突破できるため、次世代光起電力技術の重要な候補となっている。特に工業化されたテクスチャシリコン基板上では、この技術は優れた光捕捉能力とコスト効果を示し、良好な産業化の見通しを備えている。しかし、その商業化は依然として重要な技術的ボトルネックに直面している：

コア課題1：プロセスにおける薄膜安定性問題

• こんごうにだんじょうはつ-溶液堆積法はテクスチャシリコン下地層との共形接合を実現することができるが、プロセスは高温（〜150°C）及び高湿度（〜40％RH）環境下で空気焼鈍を行う

• この条件は高温湿気二重作用によるペロブスカイト薄膜表面の深刻な分解を引き起こす

コア課題2：PbI₂副産物の負の効果

• フィルム分解による過剰量PbI₂イオン移動チャネルを形成し、デバイス劣化を加速する

• より深刻なのは界面キャリア再結合を引き起こし、デバイスの効率損失と安定性を悪化させることである

これらのプロセス安定性の問題とそれに起因する性能の減衰、ペロブスカイトを深刻に制約した/シリコン積層電池の長期安定性と耐久性は、大規模な工業化生産の重要な技術的障害となっている。

研究チームと重要な成果

この研究は南京大学固体微細構造国家重点実験室の譚海仁教授と孔文馳教授共同指導、定期刊行物に発表《ACS エネルギー レター》。研究チームはペロブスカイトの解決に成功した/シリコン積層電池の工業化プロセスの核心的な難題：混合二段階堆積法における高温高湿空気アニーリングによる薄膜分解とPbI₂副産物問題

図4d

チームの革新の鍵はひきこみDMPESI疎水性内部封止層。アニーリング中のペロブスカイト表面分解を効果的に抑制し、同時に非放射再結合速度を著しく低下させ、結晶成長品質を最適化し、さらにデバイスの開放電圧と充填因子を改善する。これはDMPESIテクスチャ基板の混合蒸発への応用に成功-溶液堆積プロセスは、この分子の応用分野を大幅に広げた。

チームが製造した工業化テクスチャペロブスカイト/シリコン積層電池が30.49%の変換効率、長期安定性試験において、1800時間最大電力点追跡試験後も初期効率の84%，723時間湿熱試験後の初期効率を維持するための80%。これらのデータは対照群の表現をはるかに超えており、この方法がデバイスの安定性と耐久性を向上させる上での顕著な効果を十分に証明している。この技術は高湿度環境の製造に適用でき、工業化の大規模低コスト生産のために堅固な基礎を築いた。

実験手順と過程

図1a

精巧な薄膜堆積と添加剤戦略を通じて、高効率で安定なペロブスカイトを製造する/シリコン積層太陽電池。次に、主な実験手順を示します。

· 基板準備と下地電池構築：工業化されたテクスチャを使用したシリコンヘテロ接合（SHJ）下地電池を基板とする。積層電池を製造するためには、まず、4インチシリコンウエハをレーザー切断する2.5×2.5 cm2のサイズを指定し、その後200度のアニールによりスパッタ損傷を修復した。次に、シリコン基板上にスパッタ20ナノメートル厚の酸化インジウムスズ（ITO）複合接合層として。

· カルシウムチタン鉱層の二段階堆積法：ペロブスカイト薄膜の製造に用いたこんごうにだんじょうはつ-溶液堆積法。

o 無機骨格形成：まず、熱蒸発を透過して基板上で共同蒸発するPbI2和CsBr の、約540ナノメートル厚の無機骨格層。

o 有機塩溶液のスピンコーティング及びDMPESI追加：その後、ペロブスカイト前駆体を含む(如FA0.8Cs0.2Pb（I0.8Br0.2））の有機塩溶液、及び重要な安定剤——DMPESI、形成された無機薄膜上にスピンコートされる。これDMPESI添加剤は溶液中で重要な役割を果たし、PbI2反応は疎水性の内部封止層を形成する。

o 予備焼鈍と空気焼鈍：スピンコーティング後のフィルムは、90℃の窒素雰囲気中で予備アニール処理を行った。次に重要な空気アニール工程を行い、約150℃講和条約45%相対湿度（または高湿度試験で60%相対湿度）の環境下焼鈍20分です。このステップはDMPESI保護層を形成し、ペロブスカイト分解を抑制する鍵となる。

· 上層と電極堆積：カルシウムチタン鉱層の製造が完了すると、電子輸送層と電極が順に堆積される。

o 単接合ペロブスカイト太陽電池では、まず熱蒸発20ナミC60薄膜、次いで原子層を透過して堆積する（ALD） 15ナミSnO2。

o 積層太陽電池については、C60層の後は、スパッタリング50ナミITO。

o 最後に、熱蒸発銀（Ag）トップ電極として（単接合電池は150ナミ、積層電池は400ナミ）。

· 反射防止層の調製(積層電池向け)：積層電池の光捕捉能力をさらに向上させるために、最後にその表面で熱蒸発する100ナミMgF₂反射防止層として。

特徴付け方法と結果

メタフェルミ準位分裂（Quasi-Fermi Level Splitting、QFLS）

ペロブスカイト薄膜中の非放射再結合損失の程度と欠陥不動態化効果を評価し、QFLS直接関連素子の開放電圧を上げるVOC改善する。採用405nmレーザー励起源、光ファイバを通じて積分球測定システムを導入し、レーザー強度を1 日等価条件下で光ルミネセンス量子収率測定を行った。

DMPESI処理によって各階層構造のQFLS値、その中でカルシウムチタン鉱体材料を主なものとするVOC損失源は処理後に得られる明らかな改善。DMPESI空気アニール中の表面分解を効果的に抑制し、界面非放射再結合の低減、ペロブスカイトを/ C60インタフェースのVOC損失はそれに応じて減少する。純ペロブスカイト薄膜、HTL ／ペロブスカイト及びHTL ／ペロブスカイトETLについて3種類のスタック構造の系統的比較、確認DMPESI処理は各界面で優れた欠陥不動態化能力を示した。

図3d異なるスタック構造から抽出されたQFLS値の比較。DMPESI処理グループは純ペロブスカイト、HTL ／ペロブスカイト及びHTL ／ペロブスカイトETLについて各層インタフェースのQFLS値はいずれも制御グループより顕著に高く、直観的に非放射複合損失を抑制する上での効果を示し、デバイスを有力に解釈したVOC昇格の根本原因。

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エレクトロルミネセンス量子収率（EQEEL）

デバイスの非放射再結合をさらに分析し、単接合太陽電池における準フェルミ準位分裂を定量化した。使用するキースリー 2450電圧源測定ユニットは一定の電流密度を提供し、積分球と較正分光計を通じてデバイスの各方向から放出された光子を測定する。

DMPESI処理によりエレクトロルミネッセンス回転光性能が大幅に改善される：に相当1 日アナログ電流密度の条件下で、DMPESIプロセスグループデバイスEQEEL達0.430%、制御グループの0.145%を選択します。VOC損失はそれぞれ142 mV和170 mV，DMPESI処理グループVOC損失が減少する28 mV。この結果は、DMPESI処理は表面分解を抑制し、結晶化過程を最適化することによって、より優れたペロブスカイト品質とより低い非放射再結合を実現し、それによってデバイスの開放電圧を効果的に改善する。

図3e展示制御グループとDMPESI処理グループペロブスカイト素子のELスペクトル比較。DMPESI処理グループEL制御グループよりも強度が著しく高く、有力な証明DMPESI非放射再結合を効果的に抑制し、より多くのキャリアを放射再結合形式で発光させ、優れたキャリア品質を示す。

でんりゅうみつど-電圧（J-V）きょくせんそくてい

太陽電池の光起電力性能パラメータを評価し、単接合電池を窒素充填手袋箱に使用するキースリー 2400計測、積層電池使用キースリー 2450電圧源測定手段は、エンリテック SS-X 3A太陽光シミュレータ空気中に照射して測定する。

DMPESI処理によるデバイス性能の大幅な向上：単接合ペロブスカイト電池の最適効率21.2%（VOC = 1.227 V，JSC = 21.0 mA cm^-2，FF = 82.4%）、対照群は20%、かつ順方向スキャンがほとんどないJ-V のヒステリシス現象

工業化テクスチャペロブスカイト/シリコン積層電池の画期的な30.49%実験室の効率、取得29.8%認証効率、対照群の29.05%、絶対効率の向上が上回る1%，VOC向上40 mV，FFエスカレーション2%。統計解析による表示DMPESI修飾積層電池の平均効率は対照群より向上1.2%。

図3a単接合ペロブスカイト電池の最適性を示すJ-V の曲線比較。DMPESI処理グループのデバイス曲線形状はより良く、正逆走査ヒステリシス現象は顕著に減少し、性能安定性と効率向上を確認した。

図4d積層電池の最適化を示すJ-V の曲線と効率分布統計。DMPESI処理グループ曲線は明らかに制御グループより優れており、特に開放電圧と充填因子の面では、インライングラフ統計が30個のデバイスの効率分布は、処理グループの平均効率が大幅に向上し、データ分布がより集中していることを示している。

外部量子効率（EQE）

異なる波長における電池の光子を測定する-電子変換効率と集積光電流密度を計算する。単接合電池は空気中で位相同期増幅器を備えたQEシステム測定、積層電池は波長を採用850nm（プライマリバッテリ）と460nm（トップバッテリ）高輝度LED のバイアス光はバイアス照明測定を行う。

DMPESI処理によるスペクトル応答特性の改善：単接合ペロブスカイト電池において、DMPESI処理グループ集積光電流密度ダ21.30 mA センチメートル^-2、制御グループよりも優れた21.19 mA センチメートル^-2。積層電池のペロブスカイト上部サブ電池とSHJ底部サブ電池の集積電流密度はそれぞれ20.67和20.25 mA センチメートル^-2トップサブバッテリのやや高い電流密度設計は、戦略的に電流不整合を導入し、積層デバイスの性能と動作安定性を向上させることを目的としている。

テクスチャ基板上には、DMPESI処理装置は550 nm以下の帯域は、表面分解によって生成されたPbI₂寄生吸収減少。

図3c単接合ペロブスカイト電池EQE曲線比較。DMPESI処理グループはスペクトル応答に向上を示し、特に短波長領域ではより良く、それよりも高い株式会社値が一致します。

図4fDMPESI積層デバイスの処理EQEペロブスカイト上部とシリコン底部サブバッテリ応答を含む曲線。にじゅうでんちEQE曲線の重なりが良好で、それぞれの吸収区間で優れており、優れたスペクトル分配と電流整合効果を確認した。

最大パワーポイント追跡（MPPT）/そうさあんていせい（ISOS-L-1）

アナログ太陽光下でのデバイスの長期的な動作安定性を評価した。環境空気（30-50%相対湿度）で多色を使用LED のシミュレータ提供AM1.5G型標準照明（100mW cm^-2）、デバイス動作温度約35℃（自熱）、周囲温度25℃、能動冷却条件なしでパッケージデバイスのテストを行う。

DMPESI長期運用の安定性を大幅に向上させる処理：経DMPESI修飾積層素子は近くにある1800時間MPPT のテスト後も初期効率を維持する84%。対照群デバイスは、890時間後には初期効率約75%を使用して、明らかなパフォーマンスの違いを示します。

図4gパッケージ積層素子の展示AM1.5G型全スペクトルシミュレーション太陽光下のMPP結果を追跡する。DMPESI処理グループの効率は時間減衰速度とともに制御グループより著しく遅く、その操作安定性表現を強く証明した。

湿熱試験（湿熱）/ちょうきあんていせい（ISOS-D-3）

高温高湿環境下でのデバイスの長期安定性を評価した。パッケージ積層デバイスを環境テストボックスに配置し、一定に維持する85℃温度と85%相対湿度超過800時間、定期的に性能を測定する（約30分冷却後)。

DMPESI処理は優れた耐湿熱性能を示す：経DMPESI修飾積層素子は、723時間湿熱試験後も初期効率を維持する80%、耐久性の表現が際立っている。対照群デバイスは334時間後には初期性能の67%、表示DMPESI劣悪な環境下での保護効果。

図4hパッケージデバイスの85°C/85%のRH暗い条件下での長期安定性試験の結果。DMPESI処理群は高湿熱環境下でより緩やかな効率減衰傾向を示し、優れた耐久性表現を再確認した。

その他の特徴

Xせんかいせつ（XRD）

ペロブスカイト薄膜の相組成と結晶質を特性化した。DMPESI濃度超過3ミリグラム/mLの時刻を決める7°プロセッシング1D DMPESPbI₃相、処理群フィルムは延長焼鈍及び高湿度暴露下でPbI₂生成量は微々たるものであり、対照群は顕著に増加した。（図1b）

走査電子顕微鏡（SEM）

薄膜形態と結晶粒サイズの変化を観察した。DMPESI処理薄膜はアニーリング過程でわずかに分解され、結晶粒の顕著な成長を伴い、テクスチャ基板上により均一な形態とより大きな結晶粒を呈し、対照群は深刻な表面分解を経験した。（図2a）

X放射線光電子分光法（XPS）

確認DMPESI分子導入とPb-I結合環境化学再構成。S 2Pスペクトル166.0 eVしんごうかくにんDMPESI導入、Pb 4f和I 3dコアエネルギー準位結合エネルギーの下方シフトは、1D構造内Pb-I結合長が増加する。（図1d.e）

飛行時間二次イオン質量分析（TOF-SIMS）

探究するDMPESI薄膜内に空間分布する。添加剤は主にフィルム表面と底部界面領域に富集され、体内蓄積は無視でき、アリール添加剤共役環構造の空間位置抵抗効果に起因する。（図1f）

時間分解光ルミネセンス（TRPL）

キャリア寿命を測定して非放射再結合速度を評価した。DMPESIフィルムキャリアの処理寿命が大幅に延びる1045.0 ns（対照群515.8 ns）を用いて、非放射再結合速度を効果的に低減することを証明した。（F）図2f)

紫外線-表示（紫外線対照）きゅうしゅうスペクトル

薄膜吸収特性と光学バンドギャップを測定した。タウック図表示DMPESI導入によって薄膜バンドギャップが顕著に変化しなかった（例えば≈1.67 eV）。（図2d）

接触角測定

検証DMPESI処理後、薄膜の疎水性が増強された。処理された薄膜は、前アニーリングおよび空気アニーリングの両方の段階で強化された疎水性挙動を示した。（図S9）

あんていでんりょくしゅつりょく（SPO）

デバイスの長時間連続運転安定電力を測定する。DMPESI積層デバイスの処理実装30.3%定常電力出力。（図4e）

写真/デジタル画像

デバイスの物理的外観と湿度暴露分解状況を視覚的に展示する。80%のRHテスト中DMPESI処理グループは長期にわたって元の色の完全性を維持し、対照グループ48時間以内に明らかな黄色分解点が現れ、大面積分解した。（図2g）

結論

研究チームは導入によりDMPESI疎水性添加剤、ペロブスカイトの解決に成功した/シリコン積層電池の工業化プロセスの核心技術のボトルネックは、画期的な成果を収めた。

DMPESI分子とPbI₂はんのうせいせい1D DMPESPbI₃ペロブスカイトは、界面に保護性封止層を形成し、空気アニール中の薄膜分解を効果的に抑制する。この機構はより大きな結晶粒形成を促進し、欠陥密度を低下させ、キャリア寿命を著しく改善する（1045.0 ns 対 515.8 ns）を提供し、高温高湿環境下でのフィルムの安定性を向上させる。

デバイス性能の大きな突破：単接合ペロブスカイト電池の効率が21.2%、ほとんどありませんJ-V のヒステリシス現象工業化テクスチャペロブスカイト/シリコン積層電池侵襲30.49%実験室効率記録、取得29.8%認証効率、対照群に比べて絶対効率が向上1%，VOC向上40 mV，FFエスカレーション2%。

長期安定性表現：積層デバイス1800時間MPPT のテスト後も初期効率を維持84%，723時間湿熱試験後の維持80%効率、遠超対照群の表現。テクスチャ基板上には、DMPESI短波長領域における処理デバイスの分光応答がより良好であることを確認し、PbI₂寄生吸収は効果的に減少する。

この研究は工業化低コストでペロブスカイトを大規模に製造する/シリコン積層太陽電池は実行可能な技術経路を提供し、記録的な高効率性と長期的な動作安定性を組み合わせて、積層電池の商業化プロセスに堅固な基礎を築く。

文献参照：ACS Energy Letters _ DOI：10.1021/acsenergylett.5 c 01010

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