Pozoruhodný vývoj vo fotovoltaickej technológii zaznamenal tím výskumníkov pod vedením Nanjingskej univerzity v spolupráci s výrobcom solárnych článkov Renshine Solar, keďže vytvorili perovskitový solárny modul s plochou 810 cm² a účinnosťou premeny slnečnej energie na elektrickú energiu 24,0 %. Tento výsledok bol overený TÜV SÜD a ide o svetový rekord vo vytváraní modulov perovskitov s rozlohou viac ako 800 cm². Zistenia boli publikované v časopise „Nature“.
Beyond the Laboratory: The Scale Challenge
Perovskitové solárne články už dlho oslňujú výskumníkov rýchlym nárastom účinnosti-z iba 3,8 % v roku 2009 na viac ako 25 % v laboratórnych-zariadeniach v súčasnosti. Ale cesta od malej laboratórnej bunky ku komerčne životaschopnému veľkému modulu bola plná prekážok. Ako sa zariadenia zväčšujú, chyby sa množia, povlaky sú nerovnomerné a účinnosť klesá. Táto „medzera v mierke“ bola jedinou najväčšou prekážkou komercializácie perovskitu.
Tím z Nanjingskej univerzity napokon túto vzdialenosť úspešne prekonal. Ich modul s rozlohou 810 cm²; podobne ako bežný list papiera, dosiahol rekordnú účinnosť 24,2 % pre modul testovaný v laboratórnych podmienkach, pričom nezávislá certifikácia potvrdila účinnosť 24,0 %. Modul tiež vykazuje napätie naprázdno-53,46 V, skratový-prúd 0,436 A a faktor plnenia 83,40 %. Kým funguje sledovanie maximálneho výkonu, výstup modulu je stabilný na úrovni 19,4 W.
Ešte pôsobivejšie je, že tím vyrobil 150 modulov s celkovou plochou 0,72 m²-skutočný metrový-výrobok v mierke-s priemerným výkonom 144 W. Šampión medzi týmito modulmi dosiahol certifikovanú účinnosť 22,0 % a výkon 158,4 W, čím dosiahol rekord v meradle.{9}}
Technický prielom: Prehodnotenie povrchovej pasivácie
Čo umožnilo tento úspech? Odpoveď spočíva v dômyselnom prehodnotení povrchovej pasivácie-procesu ošetrenia defektov na hranici perovskitovej vrstvy, ktoré zachytávajú nosiče náboja a urýchľujú rekombináciu, čím sa znižuje napätie a prúd, ktoré môže zariadenie získať zo slnečného žiarenia.
Konvenčná pasivácia sa spolieha na halogenidy amónne (AHP), ktoré fungujú dobre v laboratóriu, ale stávajú sa problematickými vo veľkom meradle. V kombinácii so štrbinovým-nanášaním na matricu-metóda kontinuálneho nanášania používaná pri-výrobe veľkých plôch-AHP majú tendenciu sa rozmiestňovať nerovnomerne, pričom niektoré oblasti zostávajú nad-spracované a iné nedostatočne-pasivované. Sú tiež citlivé na vlhkosť, čo zvyčajne núti výrobcov spracovávať meracie-moduly v inertnej atmosfére, čo zvyšuje zložitosť zariadenia a zvyšuje náklady.
Čínsky tím zvolil zásadne odlišný prístup. Namiesto toho, aby sa spoliehali na pasivátor na kompenzáciu nepriaznivého povrchu, vytvorili chémiu povrchu perovskitového filmu.predtýmpasivovať to. Pomocou systému rozpúšťadiel s vysokým tlakom nasýtených pár kontrolovali kryštalizáciu filmu, aby vytvorili povrch prirodzene obohatený o formamidíniumjodid (FAI). Potom tento prispôsobený povrch ošetrili dioleátom olovnatým-a chemicky stabilným karboxylátom olovnatým (LCP)-namiesto bežných halogenidov amónnych.
Zistenia boli revolučné. Rôntgenová fotoelektrónová spektroskopia dokázala prítomnosť chemických väzieb medzi LCP a povrchom bohatým na FAI-, zatiaľ čo fotoluminiscenčná analýza ukázala, že životnosť nosiča sa zvýšila z 264 nanosekúnd na 706 nanosekúnd, čo znamená, že zachytávanie nosiča sa značne znížilo a kvalita pasivácie sa výrazne zlepšila. Na rozdiel od filmov ošetrených AHP, ktoré vykazovali nerovnomerné usadeniny a defekty na makroúrovni, výsledkom spracovania LCP boli súvislé hydrofóbne filmy charakterizované zlepšenou odolnosťou proti vlhkosti, teplu a UV žiareniu.
Trvanlivosť: Chýbajúci kúsok skladačky
Efektivita je len polovica príbehu. Ak má akákoľvek fotovoltaická technológia komerčne uspieť, musí vydržať desaťročia skutočného-svetového počasia. V tomto prípade prístup LCP priniesol rovnako pozoruhodné výsledky.
V štandardných testoch Medzinárodnej elektrotechnickej komisie (IEC) moduly ošetrené LCP-preukázali pozoruhodnú odolnosť. Po 1 300 hodinách vystavenia vlhkému-teplu moduly LCP stratili iba 2 % svojej počiatočnej účinnosti-v porovnaní s 39 % v prípade modulov ošetrených AHP-. Po 300 tepelných cykloch bola degradácia zanedbateľná. Po 2 200 hodinách sledovania maximálneho výkonu si moduly zachovali 96 % svojej pôvodnej účinnosti. Tiež si zachovali 95 % počiatočného výkonu po starnutí UV žiarením. Všetky moduly modifikované LCP-prešli úplným súborom testov spoľahlivosti IEC 61215{20}}, ktorý je medzinárodným štandardom používaným na kvalifikáciu odolnosti pozemných fotovoltaických modulov. Monitorovanie v teréne ukázalo, že ich špecifický energetický výkon prevyšuje výkon kremíkových modulov TOPCon.
Prečo je to dôležité pre solárny priemysel
Tento prielom má hlboké dôsledky pre globálny solárny priemysel.
Po prvé, demonštruje, že perovskitovú fotovoltaiku je možné vyrábať pomocou spracovania okolitého-vzduchu namiesto toho, aby vyžadovalo prísne kontrolované inertné prostredie. Tým sa odstraňuje hlavná nákladová prekážka priemyselnej-výroby.
Po druhé, tento prístup sa zaoberá pasiváciou-verzus{1}}kompenzácia vodivosti-, ktorá dlho obmedzovala výhody čisto defektných-ošetrovacích vrstiev. Potlačením elektronických defektov a zlepšením prenosu nosiča cez rozhranie dosahuje stratégia LCP to, čo mnohí považovali za nemožné: lepší výkon vo väčšom meradle.
Po tretie, a možno najvýznamnejšie, úspech tímu v metrovom{0}}meradle-so 150 vyrobenými a otestovanými modulmi-dokazuje, že technológiu možno preniesť z výskumných buniek do výrobných-relevantných architektúr. Ako poznamenali výskumníci, ich výsledky demonštrujú výrobnú stratégiu, ktorá spája zámerne vyvinutú povrchovú chémiu so stabilným, okolitým -pasivátorom kompatibilným{7}}, čo je prístup, ktorý by mohol pomôcť preklenúť priepasť medzi vysoko optimalizovanými laboratórnymi perovskitovými článkami a modulmi vyrobenými kontinuálnym, priemyselným-nanášaním povlaku.
Cesta vpred
Míľnik efektívnosti 24 % pre veľké-perovskitové moduly nie je konečným bodom{2}}, je to orientačný bod. Priemyselní pozorovatelia poznamenávajú, že s neustálym zdokonaľovaním sú na dosah 2–3 m² komerčné moduly dosahujúce účinnosť 26 %. Tandemový perovskitový-kremík a všetky-perovskitové tandemové architektúry naďalej posúvajú hranice, pričom niektoré konfigurácie už v menších mierkach presahujú účinnosť 26 %.
Spolupráca nanjingskej univerzity-Renshine Solar dokázala, že perovskitová fotovoltaika už nie je len laboratórnou kuriozitou. Stávajú sa vyrobiteľnou, trvácnou a čoraz efektívnejšou realitou. Zatiaľ čo sa svet predháňa v dekarbonizácii svojich energetických systémov, tento prelom ponúka silnú pripomienku, že ďalšia generácia solárnej technológie nie je vzdialená niekoľko desaťročí-a práve teraz sa buduje, jeden rekord za druhým.
