Tyske forskere satte ny verdensrekord med 25,5 % effektivitet Perovskite-CIGS Tandem Solar Cell

Som et væsentligt gennembrud for solcelleteknologi har forskere fra det tyske Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) og Humboldt-Universität opnået en ny verdensrekord effektkonverteringseffektivitet på 25,5 % for en perovskite-CIGS tandemsolcelle. Denne milepæl, der er certificeret af European Solar Test Installation (ESTI), repræsenterer den højeste effektivitet, der nogensinde er registreret for denne specifikke materialekombination og markerer et stort skridt fremad i udviklingen af ​​tynde-filmsolteknologier.

Denne enhed er i stand til at opnå en verdensrekord i effektivitet på grund af dens design, der anvender både en øvre celle (perovskite) og en nedre celle (CIGS), der tilsammen udgør det, der er kendt som en "monolitisk tandemstruktur". Derfor absorberer og konverterer hver del af cellen solenergi ved forskellige bølgelængder inden for solspektret-dvs. den øverste celle absorberer højenergi (ultraviolet) lys; mens bundcellen absorberer lavenergi (infrarødt) lys. Som et resultat af denne struktur vil opsiden af ​​den øvre celle og nedsiden af ​​den nedre celle absorbere forskellige dele af solspektret med højere effektivitet, end hver enkelt enhed ville opnå i sig selv; dermed skabe en stigning i den samlede effektivitet, når de to enheder arbejder sammen i et tandem arrangement.

For at opnå denne rekord optimerede HZB og Humboldt-Universitäts forskere systematisk flere aspekter af enhedsarkitekturen. De udforskede CIGS-baserede bundceller med omhyggeligt afstemte båndgab på 1,05 eV og 1,1 eV sammen med to forskellige tykkelser af aluminium-doterede zinkoxidlag. Denne omhyggelige båndgab-teknik gjorde det muligt for dem bedre at matche den nuværende generation mellem de øverste og nederste underceller-en kritisk faktor i tandem-enhedens ydeevne.

Holdet udførte også omfattende screening af hultransportlagsmaterialer og testede forskellige kombinationer af nikkeloxid (NiOx) og selv-samlede monolag (SAM'er). Disse grænsefladelag spiller en afgørende rolle i at udvinde fotogenererede ladningsbærere, mens de undertrykker rekombinationstab-en primær effektivitets-begrænsende mekanisme i solceller. Ved at identificere optimale grænsefladekonfigurationer var forskerne i stand til samtidig at forbedre ladningsselektiviteten og minimere energitab ved kontakterne.

Måske mest bemærkelsesværdigt forfinede holdet den elektron-selektive kontaktdannelse ved præcist at kontrollere den indledende termiske fordampningshastighed af buckminsterfulleren (C60) aflejret på et ultra-tyndt 1 nm lithiumfluorid (LiF) passiveringslag. Denne sofistikerede tilgang muliggjorde, hvad de beskrev som en "mere kontrolleret grænsefladedannelse og forbedret elektronisk justering", hvilket viser, at nanoskala-konstruktion af kontaktlag kan give betydelige præstationsgevinster.

Mens rekordeffektiviteten blev opnået på en enhed med lille-areal på 1.081 cm², viste forskerne, at deres optimeringer kunne oversættes til større formater. Ved at bruge en lignende stak materialer fremstillede de et mini-modul med et areal på 2,25 cm², der opnåede en effektivitet på cirka 19,7 %. Selvom dette repræsenterer et betydeligt fald fra effektiviteten af ​​små-celler, giver det opmuntrende beviser på, at den underliggende grænseflade og kontaktstrategier kan skaleres ud over laboratorieindstillingerne.

Måske det mest spændende aspekt af denne meddelelse er, hvad den antyder om fremtidigt potentiale. HZB-forsker Guillermo Farias Basulto bemærkede, at "fysikken bag vores nuværende cellearkitektur indikerer, at 25,5% kun er en indledende milepæl". Intern test af lignende designs har allerede opnået effektivitetsgevinster på op til 27,5 %, hvilket betyder, at det grundlæggende enhedskoncept stadig har et betydeligt uudnyttet potentiale.

Forskningen blev udført som en del af "SOLMATES"-projektet, et EU-finansieret initiativ ledet af HZB for at udforske integrationen af ​​CIGS- og perovskite-teknologier. HZB's tidligere rekord under dette program lå på 24,6%, hvilket gør springet til 25,5% til et meningsfuldt, omend trinvist, skridt fremad.

Denne præstation har vigtig betydning for solcelleindustrien. En CIGS tynd-filmcelle vil have adskillige fordele i forhold til konventionelle tynde-filmsolceller, såsom at være fleksibel, at være i stand til at yde godt under delvist oplyste forhold og have lave produktionsomkostninger. Ved at kombinere fordelene ved CIGS-celler med fordelene ved perovskitceller, har CIGS-celler potentiale til at blive brugt til nye anvendelser inden for fleksibel elektronik og BIPV, hvor siliciumceller ikke kan bruges.

Undersøgelsesresultaterne viser også, at perovskite-CIGS-tandemer er konkurrencedygtige med siliciumbaserede-tandemsystemer. Ud over at være i stand til at blive fremstillet med kun en tynd film, kan de også fremstilles med mindre end en mikrometer materiale. Deres ultra-lette og fleksible design vil give nye muligheder for deres brug som bygge-integrerede løsninger eller bærbare elektroniske applikationer.

Mens 25,5 % er en bemærkelsesværdig præstation, overstiger den teoretiske effektivitetsgrænse for perovskite-CIGS-tandemer 30 %. Gabet mellem den nuværende rekord og dette teoretiske loft tyder på, at væsentlige forbedringer fortsat er mulige gennem fortsat optimering af materialekvalitet, interface engineering og optisk styring. Det tyske teams systematiske tilgang-til at udforske flere båndgab, kombinationer af transportlag og kontaktteknologiske strategier-giver en metodisk plan for fremtidige bestræbelser.

Efterhånden som den globale solcelleindustri fortsætter sin hurtige ekspansion, vil innovationer inden for tandemcelleteknologi spille en stadig vigtigere rolle i at reducere omkostningerne til solenergi. De tyske forskeres opnåelse af 25,5 % effektivitet for perovskite-CIGS-tandemer repræsenterer ikke bare en ny verdensrekord, men en demonstration af det ekstraordinære potentiale, der ligger i skæringspunktet mellem disse to bemærkelsesværdige materialesystemer. Med interne-resultater, der allerede tyder på, at 27,5 % er inden for rækkevidde, og med den teoretiske grænse stadig langt højere, er rejsen mod en virkelig transformativ solenergieffektivitet langt fra forbi.