Njemački istraživači postavili su novi svjetski rekord s 25,5% učinkovitosti perovskita-CIGS Tandem solarna ćelija

U značajnom napretku za fotonaponsku tehnologiju, istraživači s njemačkog Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) i Humboldt-Universität postigli su novi svjetski rekord učinkovitosti pretvorbe energije od 25,5% za perovskite-CIGS tandem solarnu ćeliju. Ova prekretnica, certificirana od strane European Solar Test Installation (ESTI), predstavlja najveću učinkovitost ikada zabilježenu za ovu specifičnu kombinaciju materijala i označava veliki korak naprijed u razvoju solarnih tehnologija tankog-sloja.

Ovaj uređaj može postići svjetski rekord u učinkovitosti zahvaljujući svom dizajnu koji koristi i gornju ćeliju (perovskit) i donju ćeliju (CIGS) koje zajedno čine ono što je poznato kao "monolitna tandemska struktura". Stoga svaki dio ćelije apsorbira i pretvara sunčevu energiju na različitim valnim duljinama unutar sunčevog spektra-tj. gornja ćelija apsorbira visokoenergetsko (ultraljubičasto) svjetlo; dok donja ćelija apsorbira svjetlo niske energije (infracrveno). Kao rezultat ove strukture, gornja strana gornje ćelije i donja strana donje ćelije apsorbirat će različite dijelove sunčevog spektra s većom učinkovitošću nego što bi svaki pojedinačni uređaj postigao sam; čime se stvara povećanje ukupne učinkovitosti kada dva uređaja rade zajedno u tandemu.

Kako bi postigli ovaj rekord, istraživači HZB-a i Humboldt-Universität sustavno su optimizirali višestruke aspekte arhitekture uređaja. Istraživali su donje ćelije temeljene na CIGS-s pažljivo podešenim propusnim opsegom od 1,05 eV i 1,1 eV, uz dvije različite debljine slojeva cink oksida dopiranih aluminijem-. Ovaj pedantan inženjering pojasnog razmaka omogućio im je da bolje usklade trenutnu generaciju između gornje i donje podćelije-što je kritični faktor u performansama tandem uređaja.

Tim je također proveo opsežno ispitivanje materijala transportnog sloja rupa, testirajući različite kombinacije nikal oksida (NiOx) i samo{0}}sastavljenih monoslojeva (SAM). Ovi slojevi sučelja igraju ključnu ulogu u ekstrakciji fotogeneriranih nositelja naboja dok istovremeno potiskuju rekombinacijske gubitke-primarnu učinkovitost-ograničavajući mehanizam u solarnim ćelijama. Identificirajući optimalne konfiguracije sučelja, istraživači su uspjeli istovremeno poboljšati selektivnost punjenja i minimizirati gubitke energije na kontaktima.

Možda je najznačajnije to što je tim poboljšao formiranje selektivnog kontakta-elektrona precizno kontrolirajući početnu toplinsku stopu isparavanja buckminsterfulerena (C60) taloženog na ultra-tanak pasivacijski sloj litij fluorida (LiF) od 1 nm. Ovaj sofisticirani pristup omogućio je ono što su opisali kao "kontroliraniju formaciju sučelja i poboljšano elektroničko poravnanje", pokazujući da nanorazmjerno inženjerstvo kontaktnih slojeva može dovesti do značajnih poboljšanja performansi.

Iako je rekordna učinkovitost postignuta na malom -uređaju od 1.081 cm², istraživači su pokazali da se njihove optimizacije mogu prenijeti na veće formate. Koristeći sličnu gomilu materijala, proizveli su mini-modul površine 2,25 cm² koji je postigao učinkovitost od približno 19,7%. Iako ovo predstavlja značajan pad u odnosu na učinkovitost male-ćelije, pruža ohrabrujući dokaz da se temeljno sučelje i strategije kontakta mogu proširiti izvan laboratorijskih postavki.

Možda je najuzbudljiviji aspekt ove najave ono što sugerira o budućem potencijalu. Istraživač HZB-a Guillermo Farias Basulto primijetio je da "fizika na kojoj se temelji naša trenutna stanična arhitektura pokazuje da je 25,5% samo početna prekretnica". -Kućno testiranje sličnih dizajna već je postiglo učinkovitost do 27,5%, što ukazuje da temeljni koncept uređaja još uvijek ima značajan neiskorišten potencijal.

Istraživanje je provedeno u sklopu projekta "SOLMATES", inicijative koju -financira EU i vodi HZB za istraživanje integracije CIGS-a i perovskitnih tehnologija. Prethodni rekord HZB-a u okviru ovog programa iznosio je 24,6%, što čini skok na 25,5% značajnim, iako inkrementalnim korakom naprijed.

Ovo postignuće ima važno značenje za industriju solarnih ćelija. Ćelija s tankim{1}}slojem CIGS imat će nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne solarne ćelije s tankim-slojem, kao što je fleksibilnost, mogućnost dobrog rada u djelomično osvijetljenim uvjetima i niski troškovi proizvodnje. Kombinirajući prednosti CIGS ćelija s prednostima perovskitnih ćelija, CIGS ćelije imaju potencijal da se koriste za nove primjene u fleksibilnoj elektronici i BIPV, gdje se silikonske ćelije ne mogu koristiti.

Rezultati studije također pokazuju da su perovskit-CIGS tandemi konkurentni tandem sustavima-na bazi silicija. Osim što se mogu proizvesti samo pomoću tankog filma, također se mogu proizvesti korištenjem manje od jednog mikrometra materijala. Njihov ultra-lagan i fleksibilan dizajn pružit će nove prilike za njihovu upotrebu kao građe-integriranih rješenja ili prijenosnih elektroničkih aplikacija.

Iako je 25,5% postignuće vrijedno pažnje, teoretska granica učinkovitosti za perovskite-CIGS tandeme prelazi 30%. Jaz između sadašnjeg rekorda i ove teorijske gornje granice sugerira da su značajna poboljšanja i dalje moguća kontinuiranom optimizacijom kvalitete materijala, inženjeringa sučelja i optičkog upravljanja. Sustavni pristup njemačkog tima-koji istražuje više pojasnih razmaka, kombinacije transportnih slojeva i strategije inženjeringa kontakata-osigurava metodološki nacrt za buduće napore.

Kako globalna solarna industrija nastavlja svoju brzu ekspanziju, inovacije u tehnologiji tandem ćelija igrat će sve važniju ulogu u smanjenju cijene solarne električne energije. Postignuće njemačkih istraživača od 25,5% učinkovitosti za perovskite-CIGS tandeme ne predstavlja samo novi svjetski rekord, već demonstraciju izvanrednog potencijala koji leži na sjecištu ova dva izvanredna materijalna sustava. Uz -interne rezultate koji već sugeriraju da je 27,5% nadohvat ruke, a uz teoretsku granicu još uvijek daleko veću, putovanje prema istinski transformativnoj solarnoj učinkovitosti još je daleko od kraja.