Saksalaiset tutkijat tekivät uuden maailmanennätyksen 25,5 %:n hyötysuhteella perovskite{1}}CIGS-tandem-aurinkokennolla

Saksalaisen Helmholtz-Zentrum Berlinin (HZB) ja Humboldt-Universitätin tutkijat ovat saavuttaneet uuden maailmanennätyksen, 25,5 %:n tehomuunnostehokkuuden perovskite-CIGS-tandem-aurinkokennossa, mikä on merkittävä läpimurto aurinkosähkötekniikan alalla. Tämä European Solar Test Installationin (ESTI) sertifioima virstanpylväs edustaa kaikkien aikojen suurinta tehokkuutta tälle materiaaliyhdistelmälle ja on merkittävä edistysaskel ohut{5}}kalvoaurinkoteknologian kehittämisessä.

Tämä laite pystyy saavuttamaan tehokkuuden maailmanennätyksen, koska sen suunnittelussa käytetään sekä ylempää kennoa (perovskiitti) että alempaa kennoa (CIGS), jotka yhdessä muodostavat niin sanotun "monoliittisen tandem-rakenteen". Siksi jokainen kennon osa absorboi ja muuntaa aurinkoenergiaa eri aallonpituuksilla auringon spektrin sisällä-eli yläkenno absorboi korkean energian (ultraviolettia) valoa; kun taas pohjakenno absorboi matalan energian (infrapuna) valoa. Tämän rakenteen seurauksena ylemmän kennon kääntöpuoli ja alemman kennon alapuoli absorboivat aurinkospektrin eri osia tehokkaammin kuin kumpikaan yksittäinen laite saavuttaisi yksinään; mikä lisää kokonaistehokkuutta, kun kaksi laitetta toimivat yhdessä tandem-järjestelyssä.

Tämän ennätyksen saavuttamiseksi HZB:n ja Humboldt{0}}Universitätin tutkijat optimoivat järjestelmällisesti useita laitearkkitehtuurin näkökohtia. He tutkivat CIGS-pohjaisia ​​pohjakennoja, joiden kaistavälit olivat huolellisesti viritetty 1,05 eV ja 1,1 eV, sekä kaksi eri paksuista alumiini-seostettua sinkkioksidikerrosta. Tämän huolellisen bandgap-tekniikan ansiosta ne pystyivät paremmin vastaamaan nykyistä sukupolvea ylemmän ja alemman alisolun välillä{7}}, mikä on kriittinen tekijä tandemlaitteen suorituskyvyssä.

Tiimi suoritti myös laajan reiänsiirtokerrosmateriaalien seulonnan ja testasi erilaisia ​​nikkelioksidin (NiOx) ja itse{0}}kokoonpantujen yksikerroskerrosten (SAM) yhdistelmiä. Näillä rajapintakerroksilla on ratkaiseva rooli valon tuottamien varauksenkuljettajien erottamisessa samalla kun ne estävät rekombinaatiohäviöitä-ensisijaisen tehokkuutta-rajoittavan mekanismin aurinkokennoissa. Tunnistamalla optimaaliset liitäntäkonfiguraatiot tutkijat pystyivät samanaikaisesti parantamaan latausselektiivisyyttä ja minimoimaan energiahäviöitä koskettimissa.

Ehkä merkittävintä on se, että tiimi tarkensi elektroni{0}}selektiivistä kontaktien muodostusta säätelemällä tarkasti ultra-ohut 1 nm:n litiumfluoridi (LiF) passivointikerrokseen kerrostetun buckminsterfullereenin (C60) alkuperäistä lämpöhaihtumisnopeutta. Tämä hienostunut lähestymistapa mahdollisti sen, mitä he kuvailivat "hallitummaksi rajapinnan muodostukseksi ja parantuneeksi elektroniseksi kohdistukseksi", mikä osoittaa, että kontaktikerrosten nanomittakaavakehitys voi tuottaa merkittäviä suorituskyvyn lisäyksiä.

Vaikka ennätystehokkuus saavutettiin pienellä-pinta-alaisella 1,081 cm²:n laitteella, tutkijat osoittivat, että heidän optimointinsa voitiin muuntaa suurempiin muotoihin. Samanlaista materiaalipinoa käyttämällä he valmistivat mini-moduulin, jonka pinta-ala oli 2,25 cm² ja jonka hyötysuhde oli noin 19,7 %. Vaikka tämä on merkittävä pudotus pienten solujen tehokkuuteen verrattuna, se tarjoaa rohkaisevia todisteita siitä, että taustalla oleva käyttöliittymä ja kontaktistrategiat voidaan skaalata laboratorioasetusten ulkopuolelle.

Ehkä jännittävin näkökohta tässä ilmoituksessa on se, mitä se ehdottaa tulevaisuuden mahdollisuuksista. HZB:n tutkija Guillermo Farias Basulto totesi, että "nykyisen soluarkkitehtuurimme taustalla oleva fysiikka osoittaa, että 25,5% on vain ensimmäinen virstanpylväs". Samankaltaisten mallien sisäinen testaus on jo saavuttanut jopa 27,5 %:n tehokkuuden, mikä tarkoittaa, että peruslaitekonseptilla on vielä paljon hyödyntämätöntä potentiaalia.

Tutkimus suoritettiin osana "SOLMATES"-projektia, EU:n{0}}rahoitteista HZB:n johtamaa aloitetta, jossa tutkittiin CIGS- ja perovskiittitekniikoiden integrointia. HZB:n edellinen ennätys tämän ohjelman aikana oli 24,6 %, mikä tekee hyppystä 25,5 prosenttiin merkityksellisen, vaikkakin askeleen eteenpäin.

Tällä saavutuksella on tärkeä merkitys aurinkokennoteollisuudelle. CIGS-ohut{1}}kalvokennolla on useita etuja perinteisiin ohut-aurinkokennoihin verrattuna, kuten joustavuus, se pystyy toimimaan hyvin osittain valaistuissa olosuhteissa ja alhaiset valmistuskustannukset. Yhdistämällä CIGS-kennojen edut perovskiittikennojen etuihin, CIGS-kennoja voidaan käyttää uusiin sovelluksiin joustavassa elektroniikassa ja BIPV:ssä, joissa piikennoja ei voida käyttää.

Tutkimustulokset osoittavat myös, että perovskite{0}}CIGS-tandemit kilpailevat pii-pohjaisten tandemjärjestelmien kanssa. Sen lisäksi, että ne voidaan valmistaa käyttämällä vain ohutta kalvoa, ne voidaan valmistaa myös käyttämällä alle mikrometriä materiaalia. Niiden ultrakevyt-ja joustava muotoilu tarjoaa uusia mahdollisuuksia niiden käyttöön integroituina{5}}ratkaisuina tai kannettavina elektronisina sovelluksina.

Vaikka 25,5 % on huomionarvoinen saavutus, teoreettinen tehokkuusraja perovskite-CIGS-tandemeille ylittää 30 %. Ero nykyisen ennätyksen ja tämän teoreettisen katon välillä viittaa siihen, että huomattavia parannuksia on edelleen mahdollista optimoida jatkuvasti materiaalien laadun, rajapintojen suunnittelun ja optisen hallinnan avulla. Saksalaisen tiimin systemaattinen lähestymistapa -useiden kaistavälien, siirtokerrosyhdistelmien ja kontaktien suunnittelustrategioiden tutkimiseen- tarjoaa metodologisen suunnitelman tulevia toimia varten.

Maailmanlaajuisen aurinkoenergiateollisuuden jatkaessa nopeaa kasvuaan, tandemkennoteknologian innovaatioilla on yhä tärkeämpi rooli aurinkosähkön kustannusten alentamisessa. Saksalaisten tutkijoiden saavuttama 25,5 %:n tehokkuus perovskite-CIGS-tandemeille ei edusta vain uutta maailmanennätystä, vaan osoitus näiden kahden merkittävän materiaalijärjestelmän risteyskohdassa olevasta poikkeuksellisesta potentiaalista. Koska talon sisäiset tulokset osoittavat, että 27,5 % on saavutettavissa ja teoreettinen raja on vielä paljon korkeampi, matka kohti aidosti muuttavaa aurinkotehokkuutta ei ole läheskään ohi.