Nemeckí výskumníci vytvorili nový svetový rekord s 25,5 % účinnosťou perovskitu-CIGS Tandem Solar Cell

Výskumníci z nemeckého Helmholtz{0}}Zentrum Berlin (HZB) a Humboldt{1}}Universität, ktoré predstavujú významný prelom vo fotovoltaickej technológii, dosiahli nový svetový rekord účinnosti premeny energie 25,5 % pre perovskitový-tandemový solárny článok CIGS. Tento míľnik, certifikovaný Európskou solárnou testovacou inštaláciou (ESTI), predstavuje najvyššiu efektivitu zaznamenanú pre túto špecifickú kombináciu materiálov a predstavuje veľký krok vpred vo vývoji tenkovrstvových solárnych technológií.

Toto zariadenie je schopné dosiahnuť svetový rekord v účinnosti vďaka svojej konštrukcii využívajúcej hornú bunku (perovskit) aj dolnú bunku (CIGS), ktoré spolu tvoria to, čo je známe ako „monolitická tandemová štruktúra“. Preto každá časť článku absorbuje a premieňa slnečnú energiu na rôznych vlnových dĺžkach v rámci slnečného spektra-, tj horná bunka absorbuje vysokoenergetické (ultrafialové) svetlo; zatiaľ čo spodná bunka absorbuje nízkoenergetické (infračervené) svetlo. Výsledkom tejto štruktúry je, že horná strana horného článku a spodná strana spodného článku absorbujú rôzne časti slnečného spektra s vyššou účinnosťou, ako by dosiahlo každé jednotlivé zariadenie samo; čím sa dosiahne zvýšenie celkovej účinnosti, keď obe zariadenia spolupracujú v tandemovom usporiadaní.

Na dosiahnutie tohto rekordu výskumníci z HZB a Humboldt-Universität systematicky optimalizovali viaceré aspekty architektúry zariadenia. Skúmali spodné články založené na CIGS-s starostlivo vyladenými zakázanými pásmami 1,05 eV a 1,1 eV, popri dvoch rôznych hrúbkach vrstiev oxidu zinočnatého dopovaného hliníkom-. Toto starostlivé inžinierstvo bandgap im umožnilo lepšie zladiť súčasnú generáciu medzi hornými a spodnými podbunkami-, čo je kritický faktor výkonu tandemového zariadenia.

Tím tiež vykonal rozsiahly skríning materiálov transportnej vrstvy otvorov, pričom testoval rôzne kombinácie oxidu nikelnatého (NiOx) a samo{0}}monovrstvy (SAM). Tieto vrstvy rozhrania zohrávajú kľúčovú úlohu pri extrakcii fotogenerovaných nosičov náboja a zároveň potláčajú rekombinačné straty-hlavný mechanizmus obmedzujúci účinnosť- v solárnych článkoch. Identifikáciou optimálnych konfigurácií rozhrania boli výskumníci schopní súčasne zlepšiť selektivitu nabíjania a minimalizovať straty energie na kontaktoch.

Najpozoruhodnejšie je, že tím zdokonalil elektrónovo-selektívnu kontaktnú formáciu precíznym riadením počiatočnej rýchlosti tepelného odparovania buckminsterfullerénu (C60) naneseného na ultra-tenkú 1 nm pasivačnú vrstvu fluoridu lítneho (LiF). Tento sofistikovaný prístup umožnil to, čo opísali ako „kontrolovanejšiu tvorbu rozhrania a vylepšené elektronické zarovnanie“, čo dokazuje, že nanoúrovňové inžinierstvo kontaktných vrstiev môže priniesť podstatné zvýšenie výkonu.

Zatiaľ čo rekordná účinnosť bola dosiahnutá na malom-zariadení s veľkosťou 1,081 cm², výskumníci preukázali, že ich optimalizácie možno preložiť do väčších formátov. S použitím podobného stohu materiálov vyrobili mini-modul s plochou 2,25 cm², ktorý dosiahol účinnosť približne 19,7 %. Aj keď to predstavuje významný pokles v porovnaní s účinnosťou malých-článkov, poskytuje to povzbudzujúce dôkazy, že základné stratégie rozhrania a kontaktov možno škálovať aj mimo laboratórne prostredie.

Snáď najvzrušujúcejším aspektom tohto oznámenia je to, čo naznačuje budúci potenciál. Výskumník HZB Guillermo Farias Basulto poznamenal, že „fyzika, ktorá je základom našej súčasnej bunkovej architektúry naznačuje, že 25,5 % je len počiatočný míľnik“. Interné testovanie podobných návrhov už dosiahlo účinnosť až 27,5 %, čo znamená, že základná koncepcia zariadenia má stále značný nevyužitý potenciál.

Výskum sa uskutočnil v rámci projektu „SOLMATES“, iniciatívy financovanej EÚ- pod vedením HZB s cieľom preskúmať integráciu technológií CIGS a perovskitu. Predchádzajúci rekord HZB v rámci tohto programu bol 24,6 %, čím sa skok na 25,5 % stal zmysluplným, aj keď prírastkovým krokom vpred.

Tento úspech má pre priemysel solárnych článkov dôležitý význam. Tenkovrstvový-článok CIGS bude mať v porovnaní s bežnými tenkovrstvovými solárnymi článkami{2}} niekoľko výhod, napríklad je flexibilný, dokáže dobre fungovať v čiastočne osvetlených podmienkach a má nízke výrobné náklady. Spojením výhod CIGS článkov s výhodami perovskitových článkov majú CIGS články potenciál pre nové aplikácie vo flexibilnej elektronike a BIPV, kde nie je možné použiť kremíkové články.

Výsledky štúdie tiež naznačujú, že perovskit{0}}tandemy CIGS sú konkurencieschopné s tandemovými systémami na báze kremíka-. Okrem toho, že sa dajú vyrobiť len s použitím tenkého filmu, môžu sa vyrábať aj s použitím materiálu menej ako jedného mikrometra. Ich ultra-ľahký a flexibilný dizajn poskytne nové príležitosti na ich použitie ako budovanie-integrovaných riešení alebo prenosných elektronických aplikácií.

Zatiaľ čo 25,5 % je pozoruhodný úspech, teoretická hranica účinnosti pre perovskit-CIGS tandemy presahuje 30 %. Rozdiel medzi súčasným rekordom a týmto teoretickým stropom naznačuje, že podstatné zlepšenia sú stále možné prostredníctvom neustálej optimalizácie kvality materiálu, inžinierstva rozhraní a optického manažmentu. Systematický prístup nemeckého tímu-pri skúmaní viacerých bandgaps, kombinácií transportných vrstiev a stratégií kontaktného inžinierstva-poskytuje metodologický plán pre budúce úsilie.

Keďže globálny solárny priemysel pokračuje vo svojej rýchlej expanzii, inovácie v technológii tandemových článkov budú hrať čoraz dôležitejšiu úlohu pri znižovaní nákladov na solárnu elektrinu. Dosiahnutie 25,5 % účinnosti perovskitových-CIGS tandemov nemeckých vedcov predstavuje nielen nový svetový rekord, ale aj demonštráciu mimoriadneho potenciálu, ktorý leží na priesečníku týchto dvoch pozoruhodných materiálových systémov. Keďže interné výsledky už naznačujú, že 27,5 % je na dosah a teoretický limit je stále oveľa vyšší, cesta k skutočne transformačnej solárnej účinnosti sa ani zďaleka nekončí.