Njemački istraživači postavili novi svjetski rekord sa 25,5% efikasnosti perovskit-CIGS tandem solarne ćelije

U značajnom proboju za fotonaponsku tehnologiju, istraživači iz njemačkog Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) i Humboldt-Universität su postigli novi svjetski rekord efikasnosti konverzije energije od 25,5% za perovskit-CIGS tandem solarnu ćeliju. Ova prekretnica, certificirana od strane European Solar Test Installation (ESTI), predstavlja najveću efikasnost ikada zabilježenu za ovu specifičnu kombinaciju materijala i označava veliki korak naprijed u razvoju tankoslojnih solarnih tehnologija.

Ovaj uređaj je sposoban da postigne svjetski rekord u efikasnosti zahvaljujući svom dizajnu koji koristi i gornju ćeliju (perovskit) i donju ćeliju (CIGS) koje zajedno čine ono što je poznato kao "monolitna tandem struktura". Stoga, svaki dio ćelije apsorbira i pretvara sunčevu energiju na različitim talasnim dužinama unutar solarnog spektra-tj. gornja ćelija apsorbira visokoenergetsko (ultraljubičasto) svjetlo; dok donja ćelija apsorbuje niskoenergetsku (infracrvenu) svetlost. Kao rezultat ove strukture, gornja strana gornje ćelije i donja strana donje ćelije će apsorbirati različite dijelove solarnog spektra s većom efikasnošću nego što bi bilo koji pojedinačni uređaj postigao sam; čime se stvara povećanje ukupne efikasnosti kada dva uređaja rade zajedno u tandem aranžmanu.

Da bi postigli ovaj rekord, istraživači HZB i Humboldt-Universität-a sistematski su optimizirali više aspekata arhitekture uređaja. Istraživali su ćelije dna na bazi CIGS-sa pažljivo podešenim rasponima pojasa od 1,05 eV i 1,1 eV, uz dvije različite debljine slojeva cink oksida dopiranog aluminijumom{5}}. Ovaj pedantan inžinjering pojasnog razmaka omogućio im je da bolje usklade trenutnu generaciju između gornje i donje podćelije-kritičnog faktora u performansama tandem uređaja.

Tim je također izvršio opsežno ispitivanje materijala transportnog sloja rupa, testirajući različite kombinacije nikl oksida (NiOx) i samosastavljenih monoslojeva (SAM). Ovi slojevi interfejsa igraju ključnu ulogu u izdvajanju fotogenerisanih nosača naboja dok potiskuju gubitke rekombinacije-primarni mehanizam ograničavanja efikasnosti-u solarnim ćelijama. Identifikovanjem optimalnih konfiguracija interfejsa, istraživači su bili u mogućnosti da istovremeno poboljšaju selektivnost punjenja i minimiziraju gubitke energije na kontaktima.

Možda najznačajnije, tim je rafinirao elektron-selektivnu formaciju kontakta precizno kontrolišući početnu brzinu termičkog isparavanja buckminsterfulerena (C60) nanesenog na ultra-tanak sloj litijum fluorida (LiF) od 1 nm. Ovaj sofisticirani pristup omogućio je ono što su opisali kao "kontrolisanije formiranje interfejsa i poboljšano elektronsko poravnanje", demonstrirajući da nanorazmerno inženjerstvo kontaktnih slojeva može doneti značajne dobitke u performansama.

Dok je rekordna efikasnost postignuta na uređaju male-površine od 1.081 cm², istraživači su pokazali da se njihove optimizacije mogu prevesti u veće formate. Koristeći sličnu hrpu materijala, proizveli su mini-modul površine 2,25 cm² koji je postigao efikasnost od približno 19,7%. Iako ovo predstavlja značajan pad u odnosu na efikasnost malih-ćelija, pruža ohrabrujući dokaz da se osnovni interfejs i strategije kontakta mogu proširiti izvan laboratorijskog okruženja.

Možda je najuzbudljiviji aspekt ove objave ono što sugeriše o budućem potencijalu. Istraživač HZB-a Guillermo Farias Basulto primijetio je da "fizika koja leži u osnovi naše trenutne ćelijske arhitekture ukazuje da je 25,5% samo početna prekretnica". Interno testiranje sličnih dizajna je već postiglo efikasnost do 27,5%, što implicira da osnovni koncept uređaja još uvijek ima značajan neiskorišteni potencijal.

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

Ovo dostignuće ima važno značenje za industriju solarnih ćelija. CIGS tankofilmska-ćelija će imati nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne tankofilmske-ćelije, kao što je fleksibilnost, sposobnost dobrog rada u djelimično osvijetljenim uslovima i niske proizvodne troškove. Kombinacijom prednosti CIGS ćelija sa prednostima perovskitnih ćelija, CIGS ćelije imaju potencijal da se koriste za nove primene u fleksibilnoj elektronici i BIPV, gde se silicijumske ćelije ne mogu koristiti.

Rezultati studije također pokazuju da su tandemi iz perovskita{0}}CIGS konkurentni tandem sistemima baziranim na silikonu{1}}. Osim što se mogu proizvesti samo od tankog filma, mogu se proizvesti i od manje od jednog mikrometra materijala. Njihov ultra-lagan i fleksibilan dizajn pružit će nove mogućnosti za njihovu upotrebu u izgradnji{5}}integriranih rješenja ili prijenosnih elektronskih aplikacija.

Dok je 25,5% vrijedno pažnje, teorijska granica efikasnosti za tandeme perovskita{1}}CIGS prelazi 30%. Jaz između trenutnog rekorda i ovog teoretskog limita sugeriše da su značajna poboljšanja i dalje moguća kroz kontinuiranu optimizaciju kvaliteta materijala, inženjering interfejsa i optičko upravljanje. Sistematski pristup njemačkog tima-koji istražuje višestruke razmake, kombinacije transportnog sloja i strategije kontaktnog inženjeringa-pruža metodološki plan 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% efikasnosti za perovskit-CIGS tandeme predstavlja ne samo novi svjetski rekord, već demonstraciju izuzetnog potencijala koji se nalazi na raskrsnici ova dva izuzetna materijalna sistema. S-domaćim rezultatima koji već sugeriraju da je 27,5% na dohvat ruke, a sa teoretskom granicom koja je još daleko veća, put ka istinski transformativnoj solarnoj efikasnosti je daleko od kraja.