Немачки истраживачи поставили нови светски рекорд са 25,5% ефикасности перовскит-ЦИГС тандем соларне ћелије

У значајном открићу за фотонапонску технологију, истраживачи са немачког Хелмхолц-Зентрум Берлин (ХЗБ) и Хумболдт-Университат-а су постигли нови светски рекорд ефикасности конверзије енергије од 25,5% за перовскит-ЦИГС тандем соларну ћелију. Ова прекретница, сертификована од стране Европске инсталације за соларно испитивање (ЕСТИ), представља највећу ефикасност икада забележену за ову специфичну комбинацију материјала и означава велики корак напред у развоју танкослојних соларних технологија-.

Овај уређај је способан да постигне светски рекорд у ефикасности захваљујући свом дизајну који користи и горњу ћелију (перовскит) и доњу ћелију (ЦИГС) које заједно чине оно што је познато као „монолитна тандем структура“. Стога, сваки део ћелије апсорбује и претвара сунчеву енергију на различитим таласним дужинама у оквиру соларног спектра-тј. горња ћелија апсорбује високоенергетску (ултраљубичасту) светлост; док доња ћелија апсорбује нискоенергетску (инфрацрвену) светлост. Као резултат ове структуре, горња страна горње ћелије и доња страна доње ћелије ће апсорбовати различите делове соларног спектра са већом ефикасношћу него што би било који појединачни уређај постигао сам; чиме се ствара повећање укупне ефикасности када два уређаја раде заједно у тандем аранжману.

Да би постигли овај рекорд, истраживачи ХЗБ и Хумболдт{0}}Университат-а су систематски оптимизовали више аспеката архитектуре уређаја. Они су истраживали ЦИГС-базиране ћелије на дну са пажљиво подешеним размацима од 1,05 еВ и 1,1 еВ, заједно са две различите дебљине слојева цинк оксида допираног алуминијумом{5}}. Овај педантан инжењеринг појасног размака омогућио им је да боље ускладе тренутну генерацију између горње и доње подћелије-која је критичан фактор у перформансама тандем уређаја.

Тим је такође спровео опсежну проверу материјала транспортног слоја за рупе, тестирајући различите комбинације никл оксида (НиОк) и самосклопљивих монослојева (САМ). Ови слојеви интерфејса играју кључну улогу у издвајању фотогенерисаних носача набоја док истовремено потискују губитке рекомбинације-примарни механизам ограничавања ефикасности-у соларним ћелијама. Идентификовањем оптималних конфигурација интерфејса, истраживачи су били у могућности да истовремено побољшају селективност пуњења и минимизирају губитке енергије на контактима.

Можда је најважније то што је тим рафинисао електронско-селективно формирање контакта прецизно контролишући почетну брзину термичког испаравања бакминстерфулерена (Ц60) нанешеног на ултра-танак слој литијум флуорида (ЛиФ) од 1 нм. Овај софистицирани приступ омогућио је оно што су описали као „контролисаније формирање интерфејса и побољшано електронско поравнање“, показујући да наноразмерно инжењерство контактних слојева може донети значајне добитке у перформансама.

Док је рекордна ефикасност постигнута на уређају мале{0}}површине од 1,081 цм², истраживачи су показали да се њихове оптимизације могу превести у веће формате. Користећи сличну гомилу материјала, направили су мини-модул површине 2,25 цм² који је постигао ефикасност од приближно 19,7%. Иако ово представља значајан пад у односу на ефикасност малих{7}}ћелија, оно пружа охрабрујући доказ да се основни интерфејс и стратегије контакта могу проширити изван лабораторијског окружења.

Можда је најузбудљивији аспект ове објаве оно што сугерише о будућем потенцијалу. Истраживач ХЗБ-а Гуиллермо Фариас Басулто је приметио да „физика која лежи у основи наше тренутне ћелијске архитектуре указује да је 25,5% само почетна прекретница“. -Кућно тестирање сличних дизајна је већ постигло ефикасност до 27,5%, што имплицира да основни концепт уређаја још увек има значајан неискоришћен потенцијал.

Истраживање је спроведено у оквиру пројекта „СОЛМАТЕС“, иницијативе коју финансира ЕУ- коју води ХЗБ за истраживање интеграције ЦИГС и перовскитних технологија. Претходни рекорд ХЗБ-а у оквиру овог програма износио је 24,6%, што чини скок на 25,5% значајним, иако инкременталним, корак напријед.

Ово достигнуће има важно значење за индустрију соларних ћелија. ЦИГС танкофилмска-ћелија ће имати неколико предности у односу на конвенционалне танкофилмске-ћелије, као што су флексибилност, способност да добро раде у делимично осветљеним условима и ниске производне трошкове. Комбиновањем предности ЦИГС ћелија са предностима перовскитних ћелија, ЦИГС ћелије имају потенцијал да се користе за нове примене у флексибилној електроници и БИПВ, где се силицијумске ћелије не могу користити.

Резултати студије такође показују да су тандеми из перовскита{0}}ЦИГС конкурентни тандем системима заснованим на силикону{1}}. Осим што се могу произвести само од танког филма, могу се произвести и од мање од једног микрометра материјала. Њихов ултра-лаган и флексибилан дизајн пружиће нове могућности за њихову употребу у изградњи{5}}интегрисаних решења или преносивих електронских апликација.

Иако је 25,5% значајно достигнуће, теоријска граница ефикасности за тандеме перовскита-ЦИГС прелази 30%. Јаз између тренутног рекорда и овог теоретског лимита сугерише да су значајна побољшања и даље могућа кроз континуирану оптимизацију квалитета материјала, инжењеринг интерфејса и оптичко управљање. Систематски приступ немачког тима-који истражује вишеструке размаке, комбинације транспортног слоја и стратегије контактног инжењеринга-пружа методолошки план за будуће напоре.

Како глобална соларна индустрија наставља своју брзу експанзију, иновације у технологији тандем ћелија ће играти све важнију улогу у смањењу трошкова соларне електричне енергије. Постизање ефикасности немачких истраживача од 25,5% за перовскит-ЦИГС тандеме представља не само нови светски рекорд, већ демонстрацију изузетног потенцијала који лежи на пресеку ова два изузетна материјална система. Са-домаћим резултатима који већ сугеришу да је 27,5% на дохват руке, а са теоријским ограничењем које је још далеко веће, пут ка истински трансформативној соларној ефикасности је далеко од краја.