O dezvoltare notabilă a tehnologiei fotovoltaice a fost susținută de o echipă de cercetători condusă de Universitatea Nanjing și care cooperează cu producătorul de celule solare Renshine Solar, deoarece au creat un modul solar de perovskit cu o suprafață de 810 cm² și o eficiență de conversie a energiei solare în electricitate de 24,0%. Acest rezultat a fost verificat de TÜV SÜD și este un record mondial în crearea de module de perovskiți pe o suprafață de peste 800 cm². Descoperirile au fost publicate în revista „Nature”.
Dincolo de laborator: provocarea la scară
Celulele solare perovskite i-au uimit de mult timp pe cercetători cu câștigurile lor rapide de eficiență-de la doar 3,8% în 2009 la peste 25% în dispozitivele de laborator-de astăzi. Dar calea de la o celulă mică de laborator la un modul mare viabil din punct de vedere comercial a fost plină de obstacole. Pe măsură ce dispozitivele se extind, defectele se înmulțesc, acoperirile devin neuniforme și eficiența scade. Acest „decalaj de scară” a fost singura cea mai mare barieră în calea comercializării perovskitului.
Echipa de la Universitatea Nanjing a parcurs în sfârșit această distanță cu succes. Modulul lor, care măsoară 810 cm²; similar cu o foaie obișnuită de hârtie, a produs o eficiență record de 24,2% pentru modulul testat în condiții de laborator, în timp ce certificarea independentă a confirmat o eficiență de 24,0%. Modulul a arătat, de asemenea, o tensiune de circuit deschis-de 53,46 V, un curent de scurt-circuit de 0,436 A și un factor de umplere de 83,40%. În timp ce urmărirea punctului de putere maximă funcționează, ieșirea modulului este stabilă la nivelul de 19,4 W.
Și mai impresionant, echipa a fabricat 150 de module cu o suprafață totală de 0,72 m²-un adevărat produs-la scară de metru-atingând o putere medie de ieșire de 144 W. Campionul dintre acestea a atins o eficiență certificată de 22,0% și o ieșire de 158,4 W, stabilind o eficiență record de 158,4 W.
Descoperirea tehnică: Regândirea pasivării suprafeței
Ce a făcut posibilă această realizare? Răspunsul constă într-o regândire inteligentă a pasivării suprafeței-procesul de tratare a defectelor de la limita stratului de perovskit care prinde purtătorii de sarcină și accelerează recombinarea, scăzând tensiunea și curentul pe care un dispozitiv le poate extrage din lumina soarelui.
Pasivarea convențională se bazează pe halogenuri de amoniu (AHP), care funcționează bine în laborator, dar devin problematice la scară. Atunci când sunt combinate cu stratul-acoperirea cu matriță-metoda de depunere continuă utilizată pentru producția de-suprafețe mari-AHPs tind să se distribuie neuniform, lăsând unele regiuni supra-tratate și altele sub-pasivate. Ele sunt, de asemenea, sensibile la umiditate, forțând de obicei producătorii să proceseze module-la scară de contor în atmosfere inerte, adăugând complexitate și costuri ale echipamentelor.
Echipa chineză a adoptat o abordare fundamental diferită. În loc să se bazeze pe pasivator pentru a compensa o suprafață nefavorabilă, au proiectat chimia suprafeței filmului de perovskit.înaintepasivându-l. Folosind un sistem de solvenți cu presiune mare a vaporilor de saturație, au controlat cristalizarea filmului pentru a produce o suprafață îmbogățită în mod natural în iodură de formamidinium (FAI). Apoi au tratat acea suprafață adaptată cu dioleat de plumb-un carboxilat de plumb (LCP)-chimic stabil în locul halogenurilor de amoniu convenționale.
Descoperirile au fost revoluționare. Spectroscopia fotoelectronilor cu raze X-a dovedit prezența legăturilor chimice între LCP și suprafața bogată în FAI-, în timp ce analiza fotoluminiscenței a arătat că durata de viață a purtătorului a crescut de la 264 nanosecunde la 706 nanosecunde, ceea ce înseamnă că captarea purtătorului a scăzut considerabil și calitatea pasivării s-a îmbunătățit semnificativ. Spre deosebire de filmele tratate cu AHP, care au prezentat depuneri inegale și defecte la scară macro, tratamentul LCP a dus la filme hidrofobe continue caracterizate prin rezistență îmbunătățită la umiditate, căldură și radiații UV.
Durabilitate: Piesa lipsă a puzzle-ului
Eficiența este doar jumătate din poveste. Pentru ca orice tehnologie fotovoltaică să aibă succes comercial, trebuie să reziste decenii de vreme reală-lumea. Aici, abordarea LCP a dat rezultate la fel de izbitoare.
În testele standard ale Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC), modulele tratate LCP-au demonstrat o rezistență remarcabilă. După 1.300 de ore de expunere la căldură umedă-, modulele LCP au pierdut doar 2% din eficiența inițială-comparativ cu 39% pentru modulele tratate cu AHP-. După 300 de cicluri termice, degradarea a fost neglijabilă. După 2.200 de ore de urmărire a punctului de putere maximă, modulele și-au păstrat 96% din eficiența lor inițială. De asemenea, au păstrat 95% din performanța inițială după îmbătrânirea UV. Toate modulele LCP-modificate au trecut suita completă de teste de fiabilitate IEC 61215-standardul internațional utilizat pentru a califica durabilitatea modulelor fotovoltaice terestre. Monitorizarea pe teren a arătat că producția lor specifică de energie a depășit-o pe cea a modulelor de siliciu TOPCon.
De ce contează acest lucru pentru industria solară
Această descoperire are implicații profunde pentru industria solară globală.
În primul rând, demonstrează că perovskiții fotovoltaici pot fi fabricați folosind procesarea-aerului ambiental, mai degrabă decât să necesite medii inerte controlate riguros. Acest lucru elimină o barieră majoră a costurilor pentru producția la scară-industrială.
În al doilea rând, abordarea abordează compromisul pasiv-versus-conductivitate-care a limitat multă vreme beneficiul straturilor de tratament care blochează pur defect-. Atât prin suprimarea defectelor electronice, cât și prin îmbunătățirea transportului transportatorului prin interfață, strategia LCP realizează ceea ce mulți au considerat imposibil: performanță mai bună la scară mai mare.
În al treilea rând, și poate cel mai semnificativ, succesul echipei la scară metru--cu 150 de module produse și testate-demonstrează că tehnologia poate fi transpusă din celulele de cercetare în arhitecturi-relevante de producție. După cum au observat cercetătorii, rezultatele lor demonstrează o strategie de producție care îmbină chimia suprafeței proiectată în mod deliberat cu un pasivator stabil,-compatibil cu mediul-, o abordare care ar putea ajuta la reducerea decalajului dintre celulele perovskite de laborator foarte optimizate și modulele realizate prin acoperire continuă, la scară industrială-.
Drumul Înainte
Etapa de eficiență de 24% pentru modulele-perovskite cu suprafață mare nu este un punct final-este un punct de referință. Observatorii din industrie notează că, cu rafinamentul continuu, modulele comerciale de 2–3 m² care ating o eficiență de 26% sunt la îndemână. Între timp, arhitecturile tandem de-siliciu perovskit și toate-arhitecturile tandem de perovskit continuă să depășească limitele, unele configurații depășind deja o eficiență de 26% la scară mai mică.
Ceea ce a dovedit colaborarea-Renshine Solar de la Universitatea Nanjing este că fotovoltaica perovskită nu mai este doar o curiozitate de laborator. Ele devin o realitate fabricabilă, durabilă și din ce în ce mai eficientă. Pe măsură ce lumea se luptă pentru a-și decarboniza sistemele energetice, această descoperire oferă o reamintire puternică că următoarea generație de tehnologie solară nu este la câteva decenii-ea este construită chiar acum, câte un record.
