A fotovoltaikus technológia jelentős áttöréseként a német Helmholtz{0}}Zentrum Berlin (HZB) és a Humboldt-Universität kutatói új világrekordot értek el, 25,5%-os teljesítményátalakítási hatékonyságot egy perovskit-CIGS tandem napelem esetében. Ez a mérföldkő, amelyet a European Solar Test Installation (ESTI) tanúsított, a valaha mért legmagasabb hatékonyságot képviseli ennél a speciális anyagkombinációnál, és jelentős előrelépést jelent a vékonyrétegű napelemes technológiák fejlesztésében.
A tandem építészet
Ez az eszköz a hatékonyság terén világrekordot képes elérni, mivel kialakítása egy felső cellát (perovszkit) és egy alsó cellát (CIGS) is használ, amelyek együttesen alkotják az úgynevezett "monolit tandem szerkezetet". Ezért a cella minden része a napenergia spektrumán belül más-más hullámhosszon nyeli el és alakítja át a napenergiát,-azaz a felső cella nagy energiájú (ultraibolya) fényt nyel el; míg az alsó cella kis energiájú (infravörös) fényt nyel el. Ennek a szerkezetnek köszönhetően a felső cella felfelé és az alsó cella negatív oldala nagyobb hatásfokkal nyeli el a napspektrum különböző részeit, mint azt bármelyik eszköz önmagában elérné; így a két készülék tandem elrendezésében együtt működik a teljes hatékonyság növelése.
Technikai innovációk az áttörés mögött
E rekord elérése érdekében a HZB és a Humboldt{0}}Universität kutatói szisztematikusan optimalizálták az eszköz architektúrájának számos aspektusát. CIGS-alapú fenékcellákat fedeztek fel gondosan hangolt 1,05 eV és 1,1 eV sávszélességgel, valamint két különböző vastagságú alumínium-adalékolt cink-oxid réteget. Ez az aprólékos sávszélesség-tervezés lehetővé tette számukra, hogy jobban megfeleljenek a jelenlegi generációnak a felső és az alsó alcellák között,{7}}ez kritikus tényező a tandem eszköz teljesítményében.
A csapat kiterjedt szűrést is végzett a lyukátvivő réteg anyagaira vonatkozóan, tesztelve a nikkel-oxid (NiOx) és az ön-egyrétegű rétegek (SAM) különféle kombinációit. Ezek az interfészrétegek döntő szerepet játszanak a fotogenerált töltéshordozók kinyerésében, miközben elnyomják a rekombinációs veszteségeket, -ez egy elsődleges hatékonyság-korlátozó mechanizmus a napelemekben. Az optimális interfész-konfigurációk azonosításával a kutatók egyszerre tudták javítani a töltésszelektivitást és minimalizálni az érintkezők energiaveszteségét.
Talán a legfigyelemreméltóbb, hogy a csapat finomította az elektron-szelektív kontaktusképzést az ultra-vékony, 1 nm-es lítium-fluorid (LiF) passzivációs rétegen lerakódott buckminsterfullerén (C60) kezdeti hőpárolgási sebességének pontos szabályozásával. Ez a kifinomult megközelítés lehetővé tette azt, amit „ellenőrzöttebb interfész-képzésnek és jobb elektronikus igazításnak” neveztek, bizonyítva, hogy az érintkezőrétegek nanoméretű tervezése jelentős teljesítménynövekedést eredményezhet.
A laboratóriumi cellától a gyakorlati modulig
Míg a rekordhatékonyságot egy kis,{0}}1,081 cm²-es eszközzel érték el, a kutatók bebizonyították, hogy az optimalizálás nagyobb formátumokra is lefordítható. Hasonló anyagkötegből készítettek egy 2,25 cm² területű mini-modult, amely körülbelül 19,7%-os hatékonyságot ért el. Bár ez jelentős visszaesést jelent a kis-cella hatékonyságához képest, biztató bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a mögöttes interfész és kapcsolati stratégiák a laboratóriumi beállításokon túl is skálázhatók.
Egy lépcsőfok, nem a végső cél
Ennek a bejelentésnek talán a legizgalmasabb aspektusa az, amit a jövőbeli lehetőségekről sugall. A HZB kutatója, Guillermo Farias Basulto megjegyezte, hogy "a jelenlegi sejtarchitektúránk alapjául szolgáló fizika azt jelzi, hogy a 25,5% csak egy kezdeti mérföldkő". A hasonló kialakítások házon belüli tesztelése már elérte a 27,5%-os hatékonyságot, ami azt jelenti, hogy az alapvető eszközkoncepció még mindig jelentős kiaknázatlan potenciállal rendelkezik.
A kutatást a "SOLMATES" projekt részeként végezték, amely egy EU{0}}finanszírozású kezdeményezés, amelyet a HZB vezetett a CIGS és a perovszkit technológiák integrációjának feltárására. A HZB korábbi rekordja ebben a programban 24,6% volt, ami a 25,5%-ra való ugrást jelentõs, bár fokozatos elõrelépést jelent.
A napenergia-iparra gyakorolt hatás
Ez a teljesítmény fontos jelentőséggel bír a napelem-ipar számára. A CIGS vékony{1}}filmes cellának számos előnye van a hagyományos vékony{2}filmes napelemekkel szemben, például rugalmas, jól működik részlegesen megvilágított körülmények között, és alacsony gyártási költsége van. A CIGS cellák előnyeinek és a perovszkit cellák előnyeinek ötvözésével a CIGS cellák lehetőséget kínálnak a rugalmas elektronika és a BIPV új alkalmazásokra, ahol a szilícium cellák nem használhatók.
A tanulmány eredményei azt is jelzik, hogy a perovskit{0}}CIGS tandemek versenyképesek a szilícium-alapú tandemrendszerekkel. Amellett, hogy csak vékony film felhasználásával gyárthatók, egy mikrométernél kevesebb anyag felhasználásával is előállíthatók. Ultra-könnyű és rugalmas kialakításuk új lehetőségeket kínál építési-integrált megoldásként vagy hordozható elektronikus alkalmazásként való felhasználásukra.
Az út előttünk
Míg a 25,5% figyelemre méltó eredmény, a perovskit-CIGS tandemek elméleti hatékonysági határa meghaladja a 30%-ot. A jelenlegi rekord és az elméleti plafon közötti különbség azt sugallja, hogy az anyagminőség, az interfész tervezés és az optikai menedzsment folyamatos optimalizálása révén továbbra is jelentős fejlesztések lehetségesek. A német csapat szisztematikus megközelítése-több sávszélesség, szállítási réteg-kombinációk és kapcsolattervezési stratégiák feltárása-módszertani vázlatot ad a jövőbeni erőfeszítésekhez.
Ahogy a globális napenergia-ipar folytatja gyors terjeszkedését, a tandemcellás technológia innovációi egyre fontosabb szerepet fognak játszani a napenergia árának csökkentésében. A német kutatók 25,5%-os hatékonysága a perovszkit-CIGS tandemeknél nemcsak új világrekordot jelent, hanem annak a rendkívüli potenciálnak a demonstrációját, amely e két figyelemre méltó anyagrendszer metszéspontjában rejlik. Mivel a házon belüli eredmények már azt sugallják, hogy 27,5% elérhető, és az elméleti határ még mindig jóval magasabb, a valóban átalakuló napenergia-hatékonyság felé vezető út még korántsem ért véget.
