Saksa teadlased püstitasid uue maailmarekordi 25,5% efektiivsusega perovskiit-CIGS-i tandempäikesepatareiga

Olulise läbimurdena fotogalvaanilise tehnoloogia vallas on Saksamaa Helmholtz{0}}Zentrum Berlini (HZB) ja Humboldt-Universitäti teadlased saavutanud perovskiit-CIGS-i tandempäikesepatarei puhul uue maailmarekordilise võimsuse muundamise efektiivsuse 25,5%. See verstapost, mille on sertifitseeritud Euroopa päikesetestipaigaldise (ESTI) poolt, esindab kõrgeimat efektiivsust, mis selle konkreetse materjalikombinatsiooni puhul eales on registreeritud, ja tähistab suurt sammu edasi õhukese -kile päikeseenergia tehnoloogiate arendamisel.

See seade on võimeline saavutama tõhususe maailmarekordi, kuna selle konstruktsioon kasutab nii ülemist (perovskiit) kui ka alumist elementi (CIGS), mis koos moodustavad nn monoliitse tandemstruktuuri. Seetõttu neelab ja muundab raku iga osa päikeseenergiat erinevatel lainepikkustel päikesespektris, st ülemine element neelab suure energiaga (ultraviolettvalgust); samas kui alumine rakk neelab madala energiaga (infrapuna) valgust. Selle struktuuri tulemusena neelavad ülemise elemendi ülespoole ja alumise elemendi negatiivsed küljed päikesespektri erinevaid osi suurema efektiivsusega, kui kumbki seade ise saavutaks; suurendades seega kogu efektiivsust, kui kaks seadet töötavad koos tandempaigutuses.

Selle rekordi saavutamiseks optimeerisid HZB ja Humboldt{0}}Universitäti teadlased süstemaatiliselt seadme arhitektuuri mitmeid aspekte. Nad uurisid CIGS-põhiseid põhjaelemente, mille ribavahed olid hoolikalt häälestatud 1,05 eV ja 1,1 eV, ning kahe erineva paksusega alumiinium-legeeritud tsinkoksiidikihti. See hoolikas ribalaiuse projekteerimine võimaldas neil paremini sobitada praeguse põlvkonna ülemise ja alumise alamlahtri{7}}oluline tegur tandemseadme jõudluses.

Meeskond viis läbi ka aukude transpordikihtide materjalide ulatusliku sõelumise, katsetades erinevaid nikkeloksiidi (NiOx) ja ise{0}}monteeritud monokihtide (SAM) kombinatsioone. Need liidesekihid mängivad ülitähtsat rolli fotogenereeritud laengukandjate eraldamisel, vähendades samal ajal rekombinatsioonikadusid -peamine tõhusust- piirav mehhanism päikesepatareides. Optimaalsete liidese konfiguratsioonide tuvastamisega suutsid teadlased samaaegselt parandada laengu selektiivsust ja minimeerida kontaktide energiakadusid.

Võib-olla kõige olulisem on see, et meeskond täiustas elektron-selektiivset kontakti moodustumist, kontrollides täpselt üli-õhukesele 1 nm liitiumfluoriidi (LiF) passiveerimiskihile sadestunud buckminsterfullereeni (C60) esialgset termilist aurustumiskiirust. See keerukas lähenemine võimaldas seda, mida nad kirjeldasid kui "kontrollitavamat liidese moodustumist ja paremat elektroonilist joondust", mis näitab, et kontaktkihtide nanomõõtmeline projekteerimine võib anda märkimisväärset jõudlust.

Kuigi rekordtõhusus saavutati väikese-1,081 cm² pindalaga seadmega, näitasid teadlased, et nende optimeeringuid saab tõlkida suurematesse vormingutesse. Sarnase materjalivirna abil valmistasid nad mini-mooduli pindalaga 2,25 cm², mille efektiivsus oli ligikaudu 19,7%. Kuigi see on märkimisväärne langus võrreldes väikese-raku efektiivsusega, annab see julgustavaid tõendeid selle kohta, et aluseks olevat liidest ja kontaktstrateegiaid saab laiendada laboritingimustest kaugemale.

Võib-olla on selle teadaande kõige põnevam aspekt see, mida see tulevikupotentsiaali kohta vihjab. HZB teadur Guillermo Farias Basulto märkis, et "meie praeguse rakuarhitektuuri aluseks olev füüsika näitab, et 25,5% on ainult esialgne verstapost". Sarnaste disainilahenduste sisetestimised on juba saavutanud kuni 27,5% efektiivsuse, mis tähendab, et seadme põhikontseptsioonil on veel märkimisväärne kasutamata potentsiaal.

Uuring viidi läbi osana projektist "SOLMATES", EL-i{0}}rahastatud algatus, mida juhib HZB ja mille eesmärk on uurida CIGS-i ja perovskiittehnoloogiate integreerimist. HZB eelmine rekord selle programmi raames oli 24,6%, mis teeb hüppe 25,5%ni oluliseks, ehkki järkjärguliseks sammuks edasi.

Sellel saavutusel on päikesepatareide tööstuse jaoks oluline tähendus. CIGS-i õhukese{1}kilega päikesepatareidel on tavapäraste õhukesekilega päikesepatareide ees mitmeid eeliseid, näiteks paindlikkus, hästi toimimine osaliselt valgustatud tingimustes ja madalad tootmiskulud. Kombineerides CIGS-i rakkude eelised perovskiitrakkude eelistega, on CIGS-i rakke võimalik kasutada uuteks rakendusteks paindlikus elektroonikas ja BIPV-s, kus ränielemente ei saa kasutada.

Uuringutulemused näitavad ka, et perovskiit{0}}CIGS-i tandemid konkureerivad räni{1}}põhiste tandemsüsteemidega. Lisaks sellele, et neid saab valmistada ainult õhukese kilega, saab neid valmistada ka vähem kui ühe mikromeetri materjalist. Nende ülikerge ja paindlik disain pakub uusi võimalusi nende kasutamiseks integreeritud lahenduste või kaasaskantavate elektroonikarakendustena{5}}.

Kui 25,5% on märkimisväärne saavutus, siis perovskiit-CIGS-i tandemite teoreetiline efektiivsuspiir ületab 30%. Lõhe praeguse rekordi ja selle teoreetilise ülemmäära vahel viitab sellele, et materjali kvaliteedi, liidese projekteerimise ja optilise haldamise jätkuva optimeerimise kaudu on võimalik teha olulisi parandusi. Saksa meeskonna süstemaatiline lähenemine -mitme ribalaiuse, transpordikihtide kombinatsioonide ja kontaktide inseneristrateegiate uurimisele- annab metoodilise kavandi edasisteks jõupingutusteks.

Kuna ülemaailmne päikeseenergiatööstus jätkab oma kiiret laienemist, on tandemelementide tehnoloogia uuendustel päikeseelektri kulude vähendamisel üha olulisem roll. Saksa teadlaste saavutus perovskiit-CIGS-i tandemite 25,5% efektiivsusega ei kujuta endast lihtsalt uut maailmarekordit, vaid näitab nende kahe tähelepanuväärse materjalisüsteemi ristumiskohas peituvat erakordset potentsiaali. Kuna ettevõttesisesed tulemused näitavad, et 27,5% on juba käeulatuses ja teoreetiline piir on veel palju kõrgem, pole teekond tõeliselt muutliku päikeseenergia efektiivsuse poole veel kaugeltki lõppenud.