Alman Araştırmacılar %25,5 Verimli Perovskit-CIGS Tandem Güneş Pili ile Yeni Dünya Rekoru Kırdı

Almanya'nın Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ve Humboldt-Üniversitesinden araştırmacılar, fotovoltaik teknolojisinde önemli bir atılım yaparak, perovskite-CIGS tandem güneş pili için %25,5'lik yeni bir dünya rekoru güç dönüştürme verimliliğine ulaştı. Avrupa Güneş Testi Kurulumu (ESTI) tarafından onaylanan bu kilometre taşı, bu spesifik malzeme kombinasyonu için şimdiye kadar kaydedilen en yüksek verimliliği temsil ediyor ve ince-film güneş enerjisi teknolojilerinin geliştirilmesinde ileriye doğru atılan büyük bir adıma işaret ediyor.

Bu cihaz, birlikte "monolitik tandem yapı" olarak bilinen yapıyı oluşturan hem üst hücreyi (perovskit) hem de alt hücreyi (CIGS) kullanan tasarımı sayesinde verimlilikte bir dünya rekoru elde etme kapasitesine sahiptir. Bu nedenle, hücrenin her bir parçası, güneş spektrumu içindeki farklı dalga boylarındaki güneş enerjisini emer ve dönüştürür-yani, üstteki hücre, yüksek enerjili (ultraviyole) ışığı emer; alt hücre ise düşük enerjili (kızılötesi) ışığı emer. Bu yapının bir sonucu olarak, üst hücrenin üst tarafı ve alt hücrenin alt tarafı, güneş spektrumunun farklı kısımlarını, her iki cihazın tek başına elde edebileceğinden daha yüksek bir verimlilikle emecektir; böylece iki cihaz tandem düzende birlikte çalıştığında toplam verimlilikte bir artış sağlanır.

Bu rekora ulaşmak için HZB ve Humboldt{0}}Universität araştırmacıları cihaz mimarisinin birçok yönünü sistematik olarak optimize etti. İki farklı kalınlıktaki alüminyum-katkılı çinko oksit katmanının yanı sıra, 1,05 eV ve 1,1 eV'lik dikkatle ayarlanmış bant aralıklarına sahip CIGS-tabanlı alt hücreleri keşfettiler. Bu titiz bant aralığı mühendisliği, üst ve alt alt hücreler arasındaki mevcut nesille daha iyi eşleşmelerine olanak tanıdı; bu, tandem cihaz performansında kritik bir faktördür.

Ekip ayrıca nikel oksit (NiOx) ve kendiliğinden birleşen tek katmanların (SAM'ler) çeşitli kombinasyonlarını test ederek delik taşıma katmanı malzemeleri üzerinde kapsamlı bir tarama gerçekleştirdi. Bu arayüz katmanları, güneş pillerinde bir birincil verimlilik-sınırlayıcı mekanizma olan rekombinasyon kayıplarını bastırırken, fotojenlenmiş yük taşıyıcılarının çıkarılmasında çok önemli bir rol oynar. Araştırmacılar, optimum arayüz konfigürasyonlarını belirleyerek, eş zamanlı olarak yük seçiciliğini geliştirebildiler ve kontaklardaki enerji kayıplarını en aza indirebildiler.

Belki de en önemlisi, ekip, ultra-ince bir 1 nm lityum florür (LiF) pasifleştirme katmanı üzerinde biriken buckminsterfullerene'nin (C60) başlangıçtaki termal buharlaşma oranını hassas bir şekilde kontrol ederek elektron-seçici temas oluşumunu geliştirdi. Bu sofistike yaklaşım, "daha kontrollü bir arayüz oluşumu ve gelişmiş elektronik hizalama" olarak tanımladıkları şeyi mümkün kıldı ve temas katmanlarının nano ölçekli mühendisliğinin önemli performans kazanımları sağlayabileceğini gösterdi.

Kayıt verimliliği 1,081 cm²'lik-küçük alanlı bir cihazda elde edilirken, araştırmacılar optimizasyonlarının daha büyük formatlara çevrilebileceğini gösterdi. Benzer bir malzeme yığını kullanarak, yaklaşık %19,7 verim elde eden, 2,25 cm² alana sahip bir mini-modül ürettiler. Bu, küçük hücre verimliliğinde önemli bir düşüşü temsil etse de-temel arayüz ve iletişim stratejilerinin laboratuvar ortamının ötesine ölçeklenebileceğine dair cesaret verici kanıtlar sağlar.

Bu duyurunun belki de en heyecan verici yanı, gelecekteki potansiyel hakkında öne sürdüğü şey. HZB araştırmacısı Guillermo Farias Basulto, "mevcut hücre mimarimizin altında yatan fizik, %25,5'in yalnızca bir başlangıç ​​kilometre taşı olduğunu gösteriyor" dedi. Benzer tasarımların kurum içi testleri halihazırda %27,5'e varan verimlilik oranlarına ulaştı; bu da temel cihaz konseptinin hala kullanılmamış önemli bir potansiyele sahip olduğunu gösteriyor.

Araştırma, CIGS ve perovskit teknolojilerinin entegrasyonunu araştırmak amacıyla HZB liderliğinde, AB{0} tarafından finanse edilen bir girişim olan "SOLMATES" projesinin bir parçası olarak gerçekleştirildi. HZB'nin bu program kapsamındaki önceki rekoru %24,6 seviyesindeydi; bu da %25,5'e sıçramayı, artan da olsa anlamlı bir ileri adım haline getiriyor.

Bu başarı güneş pili endüstrisi için önemli bir anlam taşıyor. Bir CIGS ince-film hücresi, geleneksel ince-film güneş pillerine göre esnek olmak, kısmen aydınlatılmış koşullarda iyi performans gösterebilmek ve düşük üretim maliyetlerine sahip olmak gibi çeşitli avantajlara sahip olacaktır. CIGS hücrelerinin avantajlarını perovskit hücrelerin avantajlarıyla birleştiren CIGS hücreleri, silikon hücrelerin kullanılamadığı esnek elektronik ve BIPV'deki yeni uygulamalar için kullanılma potansiyeline sahiptir.

Çalışma sonuçları aynı zamanda perovskit-CIGS tandemlerinin silikon-bazlı tandem sistemlerle rekabet edebildiğini de göstermektedir. Sadece ince film kullanılarak üretilebilmelerinin yanı sıra, bir mikrometreden daha az malzeme kullanılarak da üretilebilmektedirler. Ultra-hafif ve esnek tasarımları, entegre çözümler veya taşınabilir elektronik uygulamalar oluşturmak için-kullanılmaları için yeni fırsatlar sağlayacaktır.

%25,5 kayda değer bir başarı olsa da perovskit-CIGS tandemlerinin teorik verimlilik sınırı %30'u aşıyor. Mevcut kayıt ile bu teorik tavan arasındaki boşluk, malzeme kalitesinin, arayüz mühendisliğinin ve optik yönetimin sürekli optimizasyonu yoluyla önemli iyileştirmelerin mümkün olduğunu göstermektedir. Alman ekibinin-çoklu bant aralıklarını, taşıma katmanı kombinasyonlarını ve iletişim mühendisliği stratejilerini keşfetmeye yönelik sistematik yaklaşımı-gelecekteki çabalar için metodolojik bir plan sağlıyor.

Küresel güneş enerjisi endüstrisi hızlı bir şekilde genişlemeye devam ederken, tandem hücre teknolojisindeki yenilikler, güneş elektriğinin maliyetini düşürmede giderek daha önemli bir rol oynayacak. Alman araştırmacıların perovskit-CIGS tandemleri için %25,5 verimlilik elde etmesi, yalnızca yeni bir dünya rekorunu değil, aynı zamanda bu iki dikkate değer malzeme sisteminin kesişiminde yatan olağanüstü potansiyelin bir göstergesini temsil ediyor. Zaten %27,5'e ulaşılabileceğini gösteren şirket içi sonuçlar-ve teorik limitin hala çok yüksek olması nedeniyle, gerçek anlamda dönüştürücü güneş enerjisi verimliliğine giden yolculuk henüz bitmedi.