En bemærkelsesværdig udvikling inden for fotovoltaisk teknologi er blevet hævdet af et team af forskere ledet af Nanjing University og samarbejder med solcelleproducenten Renshine Solar, da de har skabt et perovskit solcellemodul med et areal på 810 cm² og effektiviteten af at konvertere solenergien til elektricitet på 24,0 %. Dette resultat er blevet verificeret af TÜV SÜD, og det er en verdensrekord i at skabe perovskites' moduler over 800 cm² areal. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet "Nature."
Beyond the Laboratory: The Scale Challenge
Perovskite-solceller har længe forblændet forskere med deres hurtige effektivitetsgevinster-fra kun 3,8 % i 2009 til over 25 % i laboratorie--enheder i dag. Men vejen fra en lille laboratoriecelle til et kommercielt levedygtigt stort modul har været fyldt med forhindringer. Efterhånden som enheder opskaleres, defekter formerer sig, belægninger bliver ujævne, og effektiviteten falder. Dette "skalagab" har været den største enkeltstående barriere for kommercialisering af perovskit.
Holdet fra Nanjing Universitet har endelig tilbagelagt denne distance med succes. Deres modul, der måler 810 cm²; svarende til et almindeligt ark papir, har produceret en rekordeffektivitet på 24,2% for modulet testet under laboratorieforhold, mens den uafhængige certificering bekræftede en effektivitet på 24,0%. Modulet har også vist en åben-kredsløbsspænding på 53,46 V, en kort-kredsløbsstrøm på 0,436 A og en fyldningsfaktor på 83,40 %. Mens maksimal power point-sporing fungerer, er modulets output stabilt på niveauet 19,4 W.
Endnu mere imponerende fremstillede holdet 150 moduler med et samlet areal på 0,72 m²-et ægte meter-skalaprodukt-der opnåede en gennemsnitlig effekt på 144 W. Mesteren blandt disse nåede en certificeret effektivitet på 22,0 % og en output på 158,4 meter{9}effektivitetsrekord{9}}.
Det tekniske gennembrud: Gentænkning af overfladepassivation
Hvad gjorde denne præstation mulig? Svaret ligger i en smart gentænkning af overfladepassivering-processen med at behandle defekter ved grænsen af perovskitlaget, der fanger ladningsbærere og accelererer rekombinationen, hvilket sænker den spænding og strøm, en enhed kan udvinde fra sollys.
Konventionel passivering er afhængig af ammoniumhalogenider (AHP'er), som fungerer godt i laboratoriet, men bliver problematiske i skala. Når den kombineres med spalte-dysecoating-, har den kontinuerlige aflejringsmetode, der bruges til stor-produktion-, tendens til at fordele sig ujævnt, hvilket efterlader nogle regioner over-behandlede og andre under-passiverede. De er også følsomme over for fugt, hvilket typisk tvinger producenter til at behandle måler-skalamoduler i inerte atmosfærer, hvilket tilføjer udstyrs kompleksitet og omkostninger.
Det kinesiske hold havde en fundamentalt anderledes tilgang. I stedet for at stole på passivatoren til at kompensere for en ugunstig overflade, konstruerede de perovskitfilmens overfladekemiførpassivering af det. Ved hjælp af et opløsningsmiddelsystem med højt mætningsdamptryk kontrollerede de filmens krystallisation for at producere en overflade naturligt beriget med formamidiniumiodid (FAI). De behandlede derefter den skræddersyede overflade med blydioleat-et kemisk stabilt blycarboxylat (LCP)-i stedet for konventionelle ammoniumhalogenider.
Resultaterne var revolutionerende. Røntgenfotoelektronspektroskopi beviste tilstedeværelsen af kemiske bindinger mellem LCP og den FAI-rige overflade, mens fotoluminescensanalyse viste, at bærerens levetid steg fra 264 nanosekunder til 706 nanosekunder, hvilket betyder, at bærerindfangningen faldt betydeligt, og passiveringskvaliteten forbedredes betydeligt. I modsætning til filmene behandlet med AHP, som udviste ujævne aflejringer og defekter på makroskala, resulterede LCP-behandlingen i kontinuerlige hydrofobe film karakteriseret ved forbedret modstandsdygtighed over for fugt, varme og UV-stråling.
Holdbarhed: The Missing Piece of the Puzzle
Effektivitet er kun halvdelen af historien. For at enhver solcelleteknologi skal lykkes kommercielt, skal den udholde årtier med vejr i den virkelige-verden. Her leverede LCP-tilgangen lige så slående resultater.
I standardtests fra International Electrotechnical Commission (IEC) viste LCP-behandlede moduler en bemærkelsesværdig modstandsdygtighed. Efter 1.300 timers eksponering for fugtig-varme mistede LCP-moduler kun 2 % af deres oprindelige effektivitet-sammenlignet med 39 % for AHP-behandlede moduler. Efter 300 termiske cyklusser var nedbrydningen ubetydelig. Efter 2.200 timers maksimal power point-sporing beholdt modulerne 96 % af deres oprindelige effektivitet. De bibeholdt også 95% af den oprindelige ydeevne efter UV-ældning. Alle LCP-modificerede moduler bestod den fulde IEC 61215 pålidelighedstestsuite-den internationale standard, der bruges til at kvalificere holdbarheden af jordbaserede fotovoltaiske moduler. Feltovervågning viste, at deres specifikke energioutput oversteg den for silicium TOPCon-moduler.
Hvorfor dette betyder noget for solenergiindustrien
Dette gennembrud har dybtgående konsekvenser for den globale solcelleindustri.
For det første viser det, at perovskit-solcelleanlæg kan fremstilles ved hjælp af omgivende-luftbehandling i stedet for at kræve strengt kontrollerede inaktive miljøer. Dette fjerner en væsentlig omkostningsbarriere for industriel-skalaproduktion.
For det andet adresserer tilgangen den passivering-versus-konduktivitets-afvejning-, der længe har begrænset fordelen ved rent defekt-blokerende behandlingslag. Ved både at undertrykke elektroniske defekter og forbedre transportørtransport på tværs af grænsefladen opnår LCP-strategien, hvad mange troede umuligt: bedre ydeevne i større skala.
For det tredje, og måske mest betydningsfuldt, beviser teamets succes i mål-skala-med 150 producerede og testede moduler-, at teknologien kan omsættes fra forskningsceller til fremstilling af-relevante arkitekturer. Som forskerne bemærkede, demonstrerer deres resultater en fremstillingsstrategi, der parrer bevidst konstrueret overfladekemi med en stabil, omgivende-kompatibel passivator-en tilgang, der kunne hjælpe med at lukke kløften mellem højt optimerede laboratorieperovskitceller og moduler fremstillet af kontinuerlig, industriel-skala coating.
Vejen frem
Milepælen på 24 % effektivitet for store-perovskite-moduler er ikke et slutpunkt-det er et waypoint. Iagttagere fra industrien bemærker, at med fortsat forfining er 2-3 m² kommercielle moduler, der opnår 26 % effektivitet, inden for rækkevidde. I mellemtiden fortsætter tandem perovskite-silicium og alle-perovskite tandemarkitekturer med at skubbe grænser, med nogle konfigurationer, der allerede overstiger 26 % effektivitet i mindre skalaer.
Hvad Nanjing University-Renshine Solar-samarbejdet har bevist, er, at perovskit-solcelleanlæg ikke længere kun er et laboratorie-kuriositet. De bliver en fabrikerbar, holdbar og stadig mere effektiv realitet. Mens verden kæmper for at dekarbonisere sine energisystemer, giver dette gennembrud en stærk påmindelse om, at den næste generation af solteknologi ikke er årtier væk-den bliver bygget lige nu, én rekord ad gangen.
