Cercetătorii germani au stabilit un nou record mondial cu celula solară tandem perovskită-CIGS cu o eficiență de 25,5%

Într-o descoperire semnificativă pentru tehnologia fotovoltaică, cercetătorii de la Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) și Humboldt-Universität din Germania au atins un nou record mondial de eficiență de conversie a puterii de 25,5% pentru o celulă solară tandem perovskită-CIGS. Această etapă, certificată de European Solar Test Installation (ESTI), reprezintă cea mai mare eficiență înregistrată vreodată pentru această combinație specifică de materiale și marchează un pas major înainte în dezvoltarea tehnologiilor solare cu film subțire-.

Acest dispozitiv este capabil să atingă un record mondial de eficiență datorită designului său utilizând atât o celulă superioară (perovskit) cât și o celulă inferioară (CIGS), care împreună formează ceea ce este cunoscut sub numele de „structură tandem monolitică”. Prin urmare, fiecare parte a celulei absoarbe și convertește energia solară la diferite lungimi de undă din spectrul solar-adică, celula superioară absoarbe lumina de mare energie (ultravioletă); în timp ce celula de jos absoarbe lumina cu energie scăzută (infraroșu). Ca rezultat al acestei structuri, partea superioară a celulei superioare și partea inferioară a celulei inferioare vor absorbi diferite părți ale spectrului solar cu o eficiență mai mare decât ar obține fiecare dispozitiv singur; creând astfel o creștere a eficienței totale atunci când cele două dispozitive lucrează împreună într-un aranjament tandem.

Pentru a atinge acest record, cercetătorii HZB și Humboldt-Universität au optimizat sistematic mai multe aspecte ale arhitecturii dispozitivului. Ei au explorat celulele inferioare bazate pe CIGS-cu benzi întrerupte atent reglate de 1,05 eV și 1,1 eV, alături de două grosimi diferite de straturi de oxid de zinc dopat cu aluminiu-. Această inginerie meticuloasă de bandgap le-a permis să se potrivească mai bine cu generația actuală dintre subcelulele de sus și de jos-un factor critic în performanța dispozitivului în tandem.

Echipa a efectuat, de asemenea, o verificare extinsă a materialelor stratului de transport al găurilor, testând diverse combinații de oxid de nichel (NiOx) și monostraturi auto-asamblate (SAM). Aceste straturi de interfață joacă un rol crucial în extragerea purtătorilor de sarcină fotogenerați în timp ce suprimă pierderile de recombinare-un mecanism primar de limitare a eficienței- în celulele solare. Prin identificarea configurațiilor optime de interfață, cercetătorii au reușit să îmbunătățească simultan selectivitatea încărcării și să minimizeze pierderile de energie la contacte.

Poate cel mai remarcabil, echipa a rafinat formarea contactului selectiv al electronilor controlând cu precizie viteza inițială de evaporare termică a buckminsterfullerenului (C60) depus pe un strat de pasivare ultra-de fluorură de litiu (LiF) de 1 nm. Această abordare sofisticată a permis ceea ce au descris ca o „formare mai controlată a interfeței și o aliniere electronică îmbunătățită”, demonstrând că ingineria la scară nanometrică a straturilor de contact poate produce câștiguri substanțiale de performanță.

În timp ce eficiența record a fost atinsă pe un dispozitiv cu -zonă mică de 1,081 cm², cercetătorii au demonstrat că optimizările lor ar putea fi transpuse în formate mai mari. Folosind o stivă similară de materiale, au fabricat un mini-modul cu o suprafață de 2,25 cm² care a atins o eficiență de aproximativ 19,7%. Deși aceasta reprezintă o scădere semnificativă a eficienței-celulelor mici, oferă dovezi încurajatoare că interfața de bază și strategiile de contact pot fi scalate dincolo de setarea de laborator.

Poate cel mai interesant aspect al acestui anunț este ceea ce sugerează despre potențialul viitor. Cercetătorul HZB Guillermo Farias Basulto a remarcat că „fizica care stă la baza arhitecturii noastre celulare actuale indică faptul că 25,5% este doar o etapă inițială”. Testarea intern-a unor proiecte similare a atins deja eficiențe de până la 27,5%, ceea ce înseamnă că conceptul fundamental de dispozitiv are încă un potențial considerabil neexploatat.

Cercetarea a fost realizată ca parte a proiectului „SOLMATES”, o inițiativă finanțată de UE-condusă de HZB pentru a explora integrarea tehnologiilor CIGS și perovskite. Recordul anterior al HZB în cadrul acestui program a fost de 24,6%, făcând saltul la 25,5% un pas înainte semnificativ, deși incremental.

Această realizare are o semnificație importantă pentru industria celulelor solare. O celulă cu peliculă subțire-CIGS va avea mai multe avantaje față de celulele solare cu film subțire-convențional, cum ar fi flexibilitatea, capacitatea de a funcționa bine în condiții parțial iluminate și costurile de producție scăzute. Combinând avantajele celulelor CIGS cu avantajele celulelor perovskite, celulele CIGS au potențialul de a fi utilizate pentru noi aplicații în electronica flexibilă și BIPV, unde celulele de siliciu nu pot fi utilizate.

Rezultatele studiului indică, de asemenea, că tandemurile-CIGS perovskite sunt competitive cu sistemele tandem-pe siliciu. Pe lângă faptul că pot fi fabricate folosind doar o peliculă subțire, acestea pot fi fabricate și folosind mai puțin de un micrometru de material. Designul lor ultra-ușor și flexibil va oferi noi oportunități de utilizare ca soluții integrate de-construcții sau aplicații electronice portabile.

În timp ce 25,5% este o realizare demnă de remarcat, limita teoretică de eficiență pentru tandemurile-CIGS perovskite depășește 30%. Diferența dintre recordul actual și acest plafon teoretic sugerează că sunt posibile îmbunătățiri substanțiale prin optimizarea continuă a calității materialelor, ingineria interfeței și managementul optic. Abordarea sistematică a echipei germane-explorând mai multe intervale de bandă, combinații de straturi de transport și strategii de inginerie de contact-oferă un plan metodologic pentru eforturile viitoare.

Pe măsură ce industria solară globală își continuă expansiunea rapidă, inovațiile în tehnologia celulelor tandem vor juca un rol din ce în ce mai important în reducerea costului energiei solare. Obținerea de către cercetătorii germani a unei eficiențe de 25,5% pentru tandemurile-CIGS perovskite reprezintă nu doar un nou record mondial, ci o demonstrație a potențialului extraordinar care se află la intersecția acestor două sisteme materiale remarcabile. Cu rezultatele interne-care sugerează deja că 27,5% este la îndemână, iar limita teoretică încă mult mai mare, călătoria către eficiența solară cu adevărat transformatoare este departe de a fi încheiată.