Vokietijos mokslininkai pasiekė naują pasaulio rekordą naudodami 25,5 % efektyvumo perovskito-CIGS tandeminį saulės elementą

Vykdydami reikšmingą fotovoltinės technologijos proveržį, Vokietijos Helmholtz{0}}Zentrum Berlin (HZB) ir Humboldt-Universität mokslininkai pasiekė naują pasaulio rekordinį perovskito-CIGS tandeminio saulės elemento energijos konversijos efektyvumą – 25,5 %. Šis etapas, sertifikuotas Europos saulės bandymo įrenginio (ESTI), rodo aukščiausią kada nors užfiksuotą šio specifinio medžiagų derinio efektyvumą ir žymi didelį žingsnį į priekį kuriant plonasluoksnes saulės energijos technologijas.

Šis prietaisas gali pasiekti pasaulinį efektyvumo rekordą, nes jo konstrukcija naudoja ir viršutinę (perovskito), ir apatinę (CIGS) ląsteles, kurios kartu sudaro vadinamąją „monolitinę tandeminę struktūrą“. Todėl kiekviena elemento dalis sugeria ir paverčia skirtingų bangų ilgių saulės energiją saulės spektre, ty viršutinė ląstelė sugeria didelės energijos (ultravioletinę) šviesą; o apatinė ląstelė sugeria mažos energijos (infraraudonųjų spindulių) šviesą. Dėl šios struktūros viršutinio elemento viršutinė dalis ir apatinė elemento neigiama pusė sugers skirtingas saulės spektro dalis didesniu efektyvumu, nei vienas prietaisas pasiektų pats; taip sukuriamas bendras efektyvumo padidėjimas, kai abu įrenginiai veikia kartu tandemu.

Kad pasiektų šį rekordą, HZB ir Humboldt{0}}Universität mokslininkai sistemingai optimizavo kelis įrenginio architektūros aspektus. Jie tyrinėjo CIGS-pagrįstus dugninius elementus su kruopščiai sureguliuotais 1,05 eV ir 1,1 eV juostų tarpais, kartu su dviem skirtingo storio aliuminio- legiruoto cinko oksido sluoksniais. Dėl šios kruopščios pralaidos inžinerijos jie galėjo geriau suderinti dabartinę kartą tarp viršutinių ir apatinių poląstelių -svarbių tandeminio įrenginio veikimo veiksnių.

Komanda taip pat atliko išsamų skylių pernešimo sluoksnių medžiagų patikrinimą, išbandydama įvairius nikelio oksido (NiOx) ir savaime{0}}surenkamų monosluoksnių (SAM) derinius. Šie sąsajos sluoksniai atlieka lemiamą vaidmenį išskiriant fotogeneruotus krūvininkus, tuo pačiu slopindami rekombinacijos nuostolius -pagrindinį efektyvumą-ribojantį saulės elementų mechanizmą. Nustatydami optimalias sąsajos konfigūracijas, mokslininkai sugebėjo tuo pačiu metu pagerinti įkrovimo selektyvumą ir sumažinti energijos nuostolius kontaktuose.

Ko gero, labiausiai komanda patobulino elektronų-selektyvų kontaktų formavimą, tiksliai kontroliuodama pradinį buckminsterfullereno (C60), nusodinto ant itin -plono 1 nm ličio fluorido (LiF) pasyvavimo sluoksnio, šiluminio garavimo greitį. Šis sudėtingas požiūris įgalino tai, ką jie apibūdino kaip „labiau kontroliuojamą sąsajos formavimą ir patobulintą elektroninį derinimą“, parodantį, kad kontaktinių sluoksnių nanoskalės inžinerija gali duoti didelį našumą.

Nors rekordinis efektyvumas buvo pasiektas naudojant mažo-1 081 cm² ploto įrenginį, mokslininkai įrodė, kad jų optimizavimas gali būti išverstas į didesnius formatus. Naudodami panašų krūvą medžiagų, jie pagamino 2,25 cm² ploto mini-modulį, kurio efektyvumas buvo maždaug 19,7 %. Nors tai yra reikšmingas mažų -ląstelių efektyvumo sumažėjimas, tai teikia vilčių teikiančių įrodymų, kad pagrindinė sąsaja ir kontaktų strategijos gali būti išplėstos ne tik laboratorijoje.

Galbūt labiausiai jaudinantis šio pranešimo aspektas yra tai, ką jis siūlo apie būsimą potencialą. HZB tyrėjas Guillermo Farias Basulto pažymėjo, kad "fizika, kuria grindžiama mūsų dabartinė ląstelių architektūra, rodo, kad 25,5% yra tik pradinis etapas". Panašių dizainų vidaus bandymai jau pasiekė iki 27,5 % efektyvumo, o tai reiškia, kad pagrindinė įrenginio koncepcija vis dar turi daug neišnaudotų galimybių.

Tyrimas buvo atliktas įgyvendinant projektą „SOLMATES“ – ES{0}}finansuojamą iniciatyvą, kuriai vadovauja HZB, siekiant ištirti CIGS ir perovskito technologijų integravimą. Ankstesnis HZB rekordas pagal šią programą siekė 24,6%, todėl šuolis iki 25,5% yra reikšmingas, nors ir laipsniškas, žingsnis į priekį.

Šis pasiekimas turi svarbią reikšmę saulės elementų pramonei. CIGS plonos plėvelės{1}}elementas turės keletą pranašumų, palyginti su įprastiniais plonasluoksniais saulės elementais, pvz., bus lankstus, gali gerai veikti iš dalies apšviestomis sąlygomis ir mažomis gamybos sąnaudomis. Sujungus CIGS elementų pranašumus su perovskito elementų pranašumais, CIGS ląstelės gali būti naudojamos naujoms lanksčios elektronikos ir BIPV pritaikymams, kur silicio elementai negali būti naudojami.

Tyrimo rezultatai taip pat rodo, kad perovskito -CIGS tandemai konkuruoja su silicio{1}} tandemo sistemomis. Be to, kad juos galima gaminti naudojant tik ploną plėvelę, jie taip pat gali būti pagaminti naudojant mažiau nei vieną mikrometrą medžiagos. Jų itin-lengvas ir lankstus dizainas suteiks naujų galimybių juos naudoti kaip integruotus sprendimus{5}}ar nešiojamąsias elektronines programas.

Nors 25,5 % yra vertas dėmesio pasiekimas, teorinė perovskito -CIGS tandemų efektyvumo riba viršija 30 %. Atotrūkis tarp dabartinio rekordo ir šios teorinės ribos rodo, kad nuolat optimizuojant medžiagų kokybę, sąsajos inžineriją ir optinį valdymą, išlikti galimi esminiai patobulinimai. Vokiečių komandos sistemingas požiūris-nagrinėjant daugybę pralaidų, transportavimo sluoksnių derinių ir kontaktų inžinerijos strategijų-pateikia metodinį planą būsimoms pastangoms.

Pasaulinei saulės energijos pramonei toliau sparčiai plečiantis, tandeminių elementų technologijos naujovės vaidins vis svarbesnį vaidmenį mažinant saulės energijos kainą. Vokiečių mokslininkų pasiektas 25,5 % perovskito-CIGS tandemų efektyvumas yra ne tik naujas pasaulio rekordas, bet ir nepaprasto potencialo, glūdinčio šių dviejų nuostabių medžiagų sistemų sankirtoje, demonstravimas. Kadangi vidaus rezultatai jau rodo, kad 27,5 % pasiekiama, o teorinė riba vis dar yra daug didesnė, kelionė link tikrai transformuojančio saulės energijos efektyvumo dar toli gražu nesibaigė.