Σε μια σημαντική ανακάλυψη για την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών, ερευνητές από το γερμανικό Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) και το Humboldt-Universität πέτυχαν ένα νέο παγκόσμιο ρεκόρ απόδοσης μετατροπής ισχύος 25,5% για ένα διαδοχικό ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη-CIGS. Αυτό το ορόσημο, που πιστοποιήθηκε από την Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ηλιακών Δοκιμών (ESTI), αντιπροσωπεύει την υψηλότερη απόδοση που έχει καταγραφεί ποτέ για αυτόν τον συγκεκριμένο συνδυασμό υλικών και σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη τεχνολογιών ηλιακής ενέργειας λεπτής-μεμβράνης.
The Tandem Architecture
Αυτή η συσκευή είναι σε θέση να επιτύχει παγκόσμιο ρεκόρ απόδοσης λόγω του σχεδιασμού της που χρησιμοποιεί τόσο μια άνω κυψέλη (περοβσκίτη) όσο και μια κάτω κυψέλη (CIGS) που μαζί συνθέτουν αυτό που είναι γνωστό ως "μονολιθική διαδοχική δομή". Επομένως, κάθε τμήμα του κυττάρου απορροφά και μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε διαφορετικά μήκη κύματος εντός του ηλιακού φάσματος-δηλαδή, το επάνω στοιχείο απορροφά το φως υψηλής ενέργειας (υπεριώδες). ενώ το κάτω κελί απορροφά φως χαμηλής ενέργειας (υπέρυθρο). Ως αποτέλεσμα αυτής της δομής, η ανάποδη πλευρά της άνω κυψέλης και η κάτω πλευρά της κάτω κυψέλης θα απορροφούν διαφορετικά μέρη του ηλιακού φάσματος με υψηλότερη απόδοση από ό,τι οποιαδήποτε μεμονωμένη συσκευή θα πετύχαινε μόνη της. δημιουργώντας έτσι μια αύξηση της συνολικής απόδοσης όταν οι δύο συσκευές συνεργάζονται σε μια διαδοχική διάταξη.
Τεχνικές καινοτομίες πίσω από την ανακάλυψη
Για να επιτύχουν αυτό το ρεκόρ, οι ερευνητές του HZB και του Humboldt-Universität βελτιστοποίησαν συστηματικά πολλές πτυχές της αρχιτεκτονικής της συσκευής. Εξερεύνησαν τα κάτω κελιά βασισμένα σε CIGS-με προσεκτικά συντονισμένα κενά ζώνης 1,05 eV και 1,1 eV, μαζί με δύο διαφορετικά πάχη στρωμάτων οξειδίου του ψευδαργύρου με πρόσμειξη αλουμινίου-. Αυτή η σχολαστική μηχανική του bandgap τους επέτρεψε να ταιριάζουν καλύτερα με την τρέχουσα γενιά μεταξύ του επάνω και του κάτω υποκελλίου-ένας κρίσιμος παράγοντας για την απόδοση της συσκευής σε σειρά.
Η ομάδα διεξήγαγε επίσης εκτενή έλεγχο υλικών στρώματος μεταφοράς οπών, δοκιμάζοντας διάφορους συνδυασμούς οξειδίου του νικελίου (NiOx) και αυτο-μονοστοιβάδων (SAMs). Αυτά τα στρώματα διεπαφής διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην εξαγωγή φορέων φορτίου που παράγονται φωτοβολταϊκά, ενώ καταστέλλουν τις απώλειες ανασυνδυασμού-έναν πρωτεύοντα μηχανισμό περιορισμού της απόδοσης- στα ηλιακά κύτταρα. Εντοπίζοντας τις βέλτιστες διαμορφώσεις διεπαφής, οι ερευνητές μπόρεσαν να βελτιώσουν ταυτόχρονα την επιλεκτικότητα φόρτισης και να ελαχιστοποιήσουν τις απώλειες ενέργειας στις επαφές.
Ίσως το πιο αξιοσημείωτο ήταν ότι η ομάδα βελτίωσε τον σχηματισμό επιλεκτικής επαφής ηλεκτρονίων-ελέγχοντας με ακρίβεια τον αρχικό ρυθμό θερμικής εξάτμισης του buckminsterfullerene (C60) που εναποτίθεται σε ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα παθητικοποίησης φθοριούχου λιθίου (LiF) 1 nm. Αυτή η εξελιγμένη προσέγγιση επέτρεψε αυτό που περιέγραψαν ως «πιο ελεγχόμενο σχηματισμό διεπαφής και βελτιωμένη ηλεκτρονική ευθυγράμμιση», αποδεικνύοντας ότι η μηχανική νανοκλίμακας των στρωμάτων επαφής μπορεί να αποφέρει σημαντικά κέρδη απόδοσης.
Από το Lab Cell στο Practical Module
Ενώ η απόδοση ρεκόρ επιτεύχθηκε σε μια συσκευή μικρής-επιφάνειας 1.081 cm², οι ερευνητές απέδειξαν ότι οι βελτιστοποιήσεις τους μπορούσαν να μεταφραστούν σε μεγαλύτερες μορφές. Χρησιμοποιώντας παρόμοια στοίβα υλικών, κατασκεύασαν μια μίνι-μονάδα επιφάνειας 2,25 cm² που πέτυχε απόδοση περίπου 19,7%. Αν και αυτό αντιπροσωπεύει μια σημαντική πτώση από την απόδοση της μικρής-κυψέλης, παρέχει ενθαρρυντικά στοιχεία ότι η υποκείμενη διεπαφή και οι στρατηγικές επαφής μπορούν να κλιμακωθούν πέρα από την εργαστηριακή ρύθμιση.
Ένα σκαλοπάτι, όχι ο τελικός προορισμός
Ίσως η πιο συναρπαστική πτυχή αυτής της ανακοίνωσης είναι αυτό που προτείνει για τις μελλοντικές δυνατότητες. Ο ερευνητής της HZB Guillermo Farias Basulto σημείωσε ότι «η φυσική που βρίσκεται κάτω από την τρέχουσα αρχιτεκτονική των κυττάρων μας δείχνει ότι το 25,5% είναι μόνο ένα αρχικό ορόσημο». Οι εσωτερικές δοκιμές παρόμοιων σχεδίων έχουν ήδη επιτύχει απόδοση έως και 27,5%, υπονοώντας ότι η θεμελιώδης ιδέα της συσκευής εξακολουθεί να έχει σημαντικές αναξιοποίητες δυνατότητες.
Η έρευνα διεξήχθη στο πλαίσιο του έργου "SOLMATES", μιας πρωτοβουλίας{0}}που χρηματοδοτείται από την ΕΕ υπό την ηγεσία της HZB για τη διερεύνηση της ενοποίησης των τεχνολογιών CIGS και περοβσκίτη. Το προηγούμενο ρεκόρ της HZB στο πλαίσιο αυτού του προγράμματος ήταν 24,6%, κάνοντας το άλμα στο 25,5% ένα σημαντικό, αν και σταδιακό, βήμα προς τα εμπρός.
Επιπτώσεις για την ηλιακή βιομηχανία
Αυτό το επίτευγμα έχει σημαντικό νόημα για τη βιομηχανία ηλιακών κυττάρων. Μια κυψέλη λεπτής-μεμβράνης CIGS θα έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές ηλιακές κυψέλες λεπτής-μεμβράνης, όπως είναι η ευελιξία, η καλή απόδοση σε συνθήκες μερικού φωτισμού και το χαμηλό κόστος κατασκευής. Συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα των κυψελών CIGS με τα πλεονεκτήματα των κυψελών περοβσκίτη, οι κυψέλες CIGS έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν για νέες εφαρμογές στην ευέλικτη ηλεκτρονική και στο BIPV, όπου οι κυψέλες πυριτίου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν.
Τα αποτελέσματα της μελέτης υποδεικνύουν επίσης ότι τα διπλά συστήματα περοβσκίτη-CIGS είναι ανταγωνιστικά με τα διπλά συστήματα που βασίζονται σε πυρίτιο-. Εκτός από το ότι μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας μόνο ένα λεπτό φιλμ, μπορούν επίσης να κατασκευαστούν με λιγότερο από ένα μικρόμετρο υλικού. Ο εξαιρετικά-ελαφρύς και ευέλικτος σχεδιασμός τους θα προσφέρει νέες ευκαιρίες για τη χρήση τους ως κτιριακών-ενσωματωμένων λύσεων ή φορητών ηλεκτρονικών εφαρμογών.
Ο δρόμος μπροστά
Ενώ το 25,5% είναι ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα, το θεωρητικό όριο απόδοσης για τα παράθυρα περοβσκίτη-CIGS υπερβαίνει το 30%. Το χάσμα μεταξύ του τρέχοντος ρεκόρ και αυτού του θεωρητικού ανώτατου ορίου υποδηλώνει ότι παραμένουν δυνατές ουσιαστικές βελτιώσεις μέσω της συνεχούς βελτιστοποίησης της ποιότητας του υλικού, της μηχανικής διεπαφής και της οπτικής διαχείρισης. Η συστηματική προσέγγιση της γερμανικής ομάδας-που διερευνά πολλαπλά κενά ζώνης, συνδυασμούς επιπέδων μεταφοράς και στρατηγικές μηχανικής επαφών-παρέχει ένα μεθοδολογικό σχέδιο για μελλοντικές προσπάθειες.
Καθώς η παγκόσμια ηλιακή βιομηχανία συνεχίζει την ταχεία επέκτασή της, οι καινοτομίες στην τεχνολογία διαδοχικών κυψελών θα διαδραματίσουν όλο και πιο σημαντικό ρόλο στη μείωση του κόστους της ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας. Το επίτευγμα 25,5% απόδοσης των γερμανών ερευνητών για τα παράθυρα περοβσκίτη-CIGS αντιπροσωπεύει όχι απλώς ένα νέο παγκόσμιο ρεκόρ, αλλά μια επίδειξη του εξαιρετικού δυναμικού που βρίσκεται στη διασταύρωση αυτών των δύο αξιοσημείωτων υλικών συστημάτων. Με τα-εσωτερικά αποτελέσματα να υποδηλώνουν ήδη ότι το 27,5% είναι εφικτό και με το θεωρητικό όριο να είναι ακόμα πολύ υψηλότερο, το ταξίδι προς την πραγματικά μεταμορφωτική ηλιακή απόδοση απέχει πολύ από το να έχει τελειώσει.
