Zespół naukowców pod kierunkiem Uniwersytetu w Nanjing i współpracujący z producentem ogniw słonecznych Renshine Solar stwierdził znaczący postęp w technologii fotowoltaicznej, tworząc perowskitowy moduł słoneczny o powierzchni 810 cm² i sprawności konwersji energii słonecznej na energię elektryczną wynoszącej 24,0%. Wynik ten został zweryfikowany przez TÜV SÜD i jest to rekord świata w tworzeniu modułów perowskitów o powierzchni ponad 800 cm². Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature”.
Poza laboratorium: wyzwanie skali
Perowskitowe ogniwa słoneczne od dawna olśniewają badaczy szybkim wzrostem wydajności-z zaledwie 3,8% w 2009 r. do ponad 25%-obecnie w urządzeniach laboratoryjnych. Jednak droga od małej komórki laboratoryjnej do komercyjnie opłacalnego dużego modułu była pełna przeszkód. W miarę zwiększania skali urządzeń mnożą się defekty, powłoki stają się nierówne, a wydajność gwałtownie spada. Ta „luka w skali” stanowi największą pojedynczą przeszkodę w komercjalizacji perowskitu.
Zespół z Uniwersytetu w Nanjing w końcu pomyślnie pokonał ten dystans. Ich moduł o wymiarach 810 cm²; przypominający zwykłą kartkę papieru, dla modułu testowanego w warunkach laboratoryjnych uzyskał rekordową wydajność na poziomie 24,2%, zaś niezależna certyfikacja potwierdziła skuteczność na poziomie 24,0%. Moduł wykazał również napięcie-w obwodzie otwartym wynoszące 53,46 V, prąd-zwarciowy wynoszący 0,436 A i współczynnik wypełnienia wynoszący 83,40%. Podczas gdy śledzenie maksymalnego punktu mocy działa, moc wyjściowa modułu utrzymuje się na stabilnym poziomie 19,4 W.
Co jeszcze bardziej imponujące, zespół wyprodukował 150 modułów o łącznej powierzchni 0,72 m²-produkt w skali rzeczywistej--osiągający średnią moc wyjściową 144 W. Mistrz wśród nich osiągnął certyfikowaną sprawność na poziomie 22,0% i moc wyjściową 158,4 W, ustanawiając rekord wydajności w skali-metrowej.
Przełom techniczny: nowe podejście do pasywacji powierzchni
Co umożliwiło to osiągnięcie? Odpowiedź leży w sprytnym ponownym przemyśleniu pasywacji powierzchni-procesu usuwania defektów na granicy warstwy perowskitu, które zatrzymują nośniki ładunku i przyspieszają rekombinację, obniżając napięcie i prąd, jaki urządzenie może uzyskać ze światła słonecznego.
Konwencjonalna pasywacja opiera się na halogenkach amonu (AHP), które dobrze sprawdzają się w laboratorium, ale przy dużej skali stają się problematyczne. W połączeniu z-powlekaniem matrycowym-metodą ciągłego osadzania stosowaną w-produkcji na dużych obszarach-AHP mają tendencję do nierównomiernego rozprowadzania, w wyniku czego niektóre obszary-pozostają poddane nadmiernej-obróbce, a inne-niedostatecznie-pasywowane. Są także wrażliwe na wilgoć, co zazwyczaj zmusza producentów do przetwarzania modułów skali liczników-w atmosferach obojętnych, co zwiększa złożoność sprzętu i koszty.
Chiński zespół przyjął zasadniczo odmienne podejście. Zamiast polegać na pasywatorze, który kompensuje niekorzystną powierzchnię, opracowano właściwości chemiczne powierzchni warstwy perowskituzanimpasywując go. Stosując układ rozpuszczalników o wysokim ciśnieniu pary nasyconej, kontrolowali krystalizację folii, tworząc powierzchnię naturalnie wzbogaconą w jodek formamidyniowy (FAI). Następnie tak dostosowaną powierzchnię potraktowano dioleinianem ołowiu-chemicznie stabilnym karboksylanem ołowiu (LCP)-zamiast konwencjonalnych halogenków amonu.
Odkrycia były rewolucyjne. Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów- wykazała obecność wiązań chemicznych pomiędzy LCP a powierzchnią bogatą w FAI-, natomiast analiza fotoluminescencji wykazała, że czas życia nośnika wzrósł z 264 nanosekund do 706 nanosekund, co oznacza, że wychwytywanie nośnika znacznie się zmniejszyło, a jakość pasywacji znacznie się poprawiła. W odróżnieniu od folii poddanych obróbce AHP, które wykazywały nierównomierne osadzanie się i defekty w skali makro, po obróbce LCP uzyskano ciągłe folie hydrofobowe charakteryzujące się zwiększoną odpornością na wilgoć, ciepło i promieniowanie UV.
Trwałość: brakujący element układanki
Wydajność to tylko połowa sukcesu. Aby jakakolwiek technologia fotowoltaiczna odniosła komercyjny sukces, musi przetrwać dziesięciolecia rzeczywistej-światowej pogody. W tym przypadku podejście LCP dało równie uderzające wyniki.
W standardowych testach Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) moduły poddane obróbce LCP-wykazały się niezwykłą odpornością. Po 1300 godzinach ekspozycji na-wilgotne ciepło moduły LCP straciły zaledwie 2% swojej początkowej wydajności-w porównaniu z 39% w przypadku modułów poddanych-obróbce AHP. Po 300 cyklach termicznych degradacja była nieistotna. Po 2200 godzinach śledzenia punktu maksymalnej mocy moduły zachowały 96% swojej początkowej wydajności. Zachowały również 95% początkowej wydajności po starzeniu UV. Wszystkie-moduły zmodyfikowane przez LCP przeszły pełny zestaw testów niezawodności IEC 61215,-międzynarodową normę stosowaną do określania trwałości naziemnych modułów fotowoltaicznych. Monitorowanie w terenie wykazało, że ich specyficzna moc wyjściowa przewyższa energię krzemowych modułów TOPCon.
Dlaczego ma to znaczenie dla branży fotowoltaicznej
Ten przełom niesie ze sobą głębokie implikacje dla światowego przemysłu fotowoltaicznego.
Po pierwsze, pokazuje, że fotowoltaikę perowskitową można wytwarzać przy użyciu-obróbki powietrza z otoczenia, zamiast wymagać rygorystycznie kontrolowanych środowisk obojętnych. Usuwa to główną barierę kosztową dla produkcji na- skalę przemysłową.
Po drugie, podejście to uwzględnia kompromis w zakresie pasywacji-w porównaniu-przewodnictwa-, który od dawna ogranicza korzyści płynące z warstw obróbkowych czysto-blokujących defekty. Eliminując defekty elektroniczne i usprawniając transport nośników przez interfejs, strategia LCP pozwala osiągnąć to, co wielu uważało za niemożliwe: lepszą wydajność na większą skalę.
Po trzecie, co być może najważniejsze, sukces zespołu w skali-metrowej-obejmującej 150 wyprodukowanych i przetestowanych modułów-dowodzi, że technologię można przenieść z komórek badawczych na architekturę-odpowiednią dla branży produkcyjnej. Jak zauważyli naukowcy, ich wyniki pokazują strategię produkcji, która łączy celowo opracowaną chemię powierzchni ze stabilnym,-kompatybilnym z otoczeniem pasywatorem-, co może pomóc wypełnić lukę między wysoce zoptymalizowanymi laboratoryjnymi ogniwami perowskitowymi a modułami wytwarzanymi w procesie ciągłego powlekania na- skalę przemysłową.
Droga przed nami
Kamień milowy w zakresie wydajności wynoszącej 24% w przypadku-modułów perowskitowych o dużej powierzchni nie jest punktem końcowym,-jest to punkt orientacyjny. Obserwatorzy branży zauważają, że przy ciągłym udoskonalaniu moduły komercyjne o powierzchni 2–3 m² osiągające wydajność na poziomie 26% są w zasięgu ręki. Tymczasem tandemowe architektury tandemowe-perowskitu i wszystkich-perowskitów nadal przesuwają granice, a niektóre konfiguracje już przekraczają 26% wydajności w mniejszych skalach.
Współpraca-Renshine Solar z Uniwersytetem w Nanjing udowodniła, że fotowoltaika perowskitowa nie jest już tylko ciekawostką laboratoryjną. Stają się rzeczywistością produkcyjną, trwałą i coraz bardziej wydajną. Podczas gdy świat dąży do dekarbonizacji swoich systemów energetycznych, to przełomowe wydarzenie stanowi potężne przypomnienie, że następna generacja technologii słonecznej nie pojawi się za kilkadziesiąt lat,-jest budowana właśnie teraz, rekord po rekordzie.
