Nemški raziskovalci postavili nov svetovni rekord s 25,5-odstotno učinkovitostjo perovskitne-tandemske sončne celice CIGS

Raziskovalci iz nemškega Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) in Humboldt-Universität so v pomembnem preboju za fotovoltaično tehnologijo dosegli nov svetovni rekord učinkovitosti pretvorbe energije 25,5 % za perovskite-CIGS tandem sončne celice. Ta mejnik, ki ga je potrdil European Solar Test Installation (ESTI), predstavlja najvišjo učinkovitost, ki je bila kdaj koli zabeležena za to specifično kombinacijo materialov, in pomeni velik korak naprej v razvoju tank-slojnih solarnih tehnologij.

Ta naprava je sposobna doseči svetovni rekord v učinkovitosti zaradi svoje zasnove, ki uporablja tako zgornjo celico (perovskit) kot spodnjo celico (CIGS), ki skupaj sestavljata tako imenovano "monolitno tandemsko strukturo". Zato vsak del celice absorbira in pretvarja sončno energijo pri različnih valovnih dolžinah znotraj sončnega spektra-tj. zgornja celica absorbira visokoenergijsko (ultravijolično) svetlobo; medtem ko spodnja celica absorbira nizkoenergijsko (infrardečo) svetlobo. Zaradi te strukture bosta zgornji del zgornje celice in spodnji del spodnje celice absorbirali različne dele sončnega spektra z večjo učinkovitostjo, kot bi jo dosegla katera koli posamezna naprava sama; tako ustvari povečanje skupne učinkovitosti, ko obe napravi delujeta skupaj v tandemu.

Da bi dosegli ta rekord, so raziskovalci HZB in Humboldt-Universität sistematično optimizirali več vidikov arhitekture naprave. Raziskovali so spodnje celice na osnovi CIGS-s skrbno nastavljenimi pasovnimi vrzelmi 1,05 eV in 1,1 eV, poleg dveh različnih debelin plasti cinkovega oksida, dopiranih z aluminijem-. Ta natančen inženiring pasovne vrzeli jim je omogočil, da se bolje ujemajo s trenutno generacijo med zgornjo in spodnjo podcelico-, kar je ključni dejavnik pri delovanju tandemske naprave.

Ekipa je izvedla tudi obsežen pregled materialov transportnih plasti lukenj, pri čemer je testirala različne kombinacije nikljevega oksida (NiOx) in samo{0}}sestavljenih monoslojev (SAM). Te vmesniške plasti igrajo ključno vlogo pri ekstrakciji fotogeneriranih nosilcev naboja, hkrati pa zavirajo rekombinacijske izgube-primarnega izkoristka-omejevalni mehanizem v sončnih celicah. Z določitvijo optimalnih konfiguracij vmesnika so raziskovalci lahko hkrati izboljšali selektivnost polnjenja in zmanjšali izgube energije na kontaktih.

Morda najbolj opazno je, da je ekipa izpopolnila elektron{0}}selektivno tvorbo kontakta z natančnim nadzorom začetne toplotne hitrosti izhlapevanja buckminsterfulerena (C60), nanesenega na ultra-tanek 1 nm pasivacijski sloj litijevega fluorida (LiF). Ta prefinjen pristop je omogočil, kar so opisali kot "bolj nadzorovano oblikovanje vmesnika in izboljšano elektronsko poravnavo," kar dokazuje, da lahko nanometrsko inženirstvo kontaktnih plasti prinese znatne izboljšave v zmogljivosti.

Medtem ko je bila rekordna učinkovitost dosežena na napravi z majhno-površino 1,081 cm², so raziskovalci dokazali, da je mogoče njihove optimizacije prenesti v večje formate. S podobnim kupom materialov so izdelali mini-modul s površino 2,25 cm², ki je dosegel približno 19,7-odstotno učinkovitost. Čeprav to pomeni znatno zmanjšanje učinkovitosti majhnih-celic, zagotavlja spodbuden dokaz, da je osnovni vmesnik in strategije stikov mogoče razširiti izven laboratorijskih nastavitev.

Morda je najbolj vznemirljiv vidik te objave to, kar namiguje o prihodnjem potencialu. Raziskovalec HZB Guillermo Farias Basulto je opozoril, da "fizika, na kateri temelji naša trenutna celična arhitektura, kaže, da je 25,5 % le začetni mejnik". -Hišno testiranje podobnih zasnov je že doseglo učinkovitost do 27,5 %, kar nakazuje, da ima temeljni koncept naprave še precejšen neizkoriščen potencial.

Raziskava je bila izvedena v okviru projekta »SOLMATES«, pobude, ki jo-financira EU in vodi HZB za raziskovanje integracije tehnologij CIGS in perovskita. Prejšnji rekord HZB v okviru tega programa je znašal 24,6 %, zaradi česar je bil skok na 25,5 % pomemben, čeprav postopen korak naprej.

Ta dosežek ima pomemben pomen za industrijo sončnih celic. Tanko{1}}slojna celica CIGS bo imela več prednosti pred običajnimi tanko-slojnimi sončnimi celicami, na primer prilagodljivost, dobro delovanje v delno osvetljenih pogojih in nizki stroški izdelave. Z združevanjem prednosti celic CIGS s prednostmi perovskitnih celic imajo celice CIGS potencial za uporabo v novih aplikacijah v prilagodljivi elektroniki in BIPV, kjer silicijevih celic ni mogoče uporabiti.

Rezultati študije tudi kažejo, da so perovskitni-tandemi CIGS konkurenčni tandemskim sistemom-na osnovi silicija. Poleg tega, da jih je mogoče izdelati samo s tankim filmom, jih je mogoče izdelati tudi z uporabo manj kot enega mikrometra materiala. Njihova izjemno-lahka in prilagodljiva zasnova bo zagotovila nove priložnosti za njihovo uporabo kot gradbene-integrirane rešitve ali prenosne elektronske aplikacije.

Čeprav je 25,5 % omembe vreden dosežek, teoretična meja učinkovitosti za perovskitne-tandeme CIGS presega 30 %. Vrzel med trenutnim rekordom in to teoretično zgornjo mejo nakazuje, da so bistvene izboljšave še vedno možne z nenehnim optimiziranjem kakovosti materiala, inženiringa vmesnikov in optičnega upravljanja. Sistematični pristop nemške ekipe-ki raziskuje več pasovnih rež, kombinacij transportnih slojev in strategije kontaktnega inženiringa-zagotavlja metodološki načrt za prihodnja prizadevanja.

Medtem ko se svetovna solarna industrija še naprej hitro širi, bodo imele inovacije v tehnologiji tandemskih celic vse pomembnejšo vlogo pri zniževanju stroškov sončne električne energije. Dosežek nemških raziskovalcev pri 25,5-odstotni učinkovitosti za tandeme perovskita-CIGS ne predstavlja le novega svetovnega rekorda, temveč prikaz izjemnega potenciala, ki leži na stičišču teh dveh izjemnih materialnih sistemov. Ker-hišni rezultati že kažejo, da je 27,5 % dosegljivih, in ker je teoretična meja še vedno veliko višja, pot do resnično transformativne sončne učinkovitosti še zdaleč ni končana.