Nanjing Üniversitesi liderliğindeki ve güneş pili üreticisi Renshine Solar ile işbirliği yapan bir araştırma ekibi, 810 cm² alana sahip ve güneş enerjisini elektriğe dönüştürme verimliliği %24,0 olan bir perovskit güneş modülü oluşturduklarından fotovoltaik teknolojisinde dikkate değer bir gelişme olduğunu iddia etti. Bu sonuç TÜV SÜD tarafından doğrulandı ve 800 cm²'lik alanda perovskit modülleri oluşturmada bir dünya rekoru oldu. Bulgular "Nature" dergisinde yayınlandı.
Laboratuvarın Ötesinde: Ölçek Mücadelesi
Perovskit güneş pilleri, 2009'da yalnızca %3,8 olan hızlı verimlilik artışlarıyla (bugün laboratuvar ölçekli cihazlarda %25'in üzerine-çıkan hızlı verimlilik artışlarıyla araştırmacıları uzun süredir şaşkına çeviriyor. Ancak küçük bir laboratuvar hücresinden ticari olarak uygun büyük bir modüle giden yol engellerle doludur. Cihazların ölçeği büyüdükçe kusurlar çoğalır, kaplamalar eşitsiz hale gelir ve verimlilik düşer. Bu "ölçek farkı" perovskitin ticarileştirilmesinin önündeki en büyük engel olmuştur.
Nanjing Üniversitesi'nden gelen ekip nihayet bu mesafeyi başarıyla katetti. 810 cm² ölçülerindeki modülleri; Sıradan bir kağıt parçasına benzeyen bu modül, laboratuvar koşullarında test edilen modül için %24,2'lik rekor bir verimlilik üretirken, bağımsız sertifikasyon %24,0'lık bir verimliliği doğruladı. Modül ayrıca 53,46 V'luk bir açık-devre voltajı, 0,436 A'lık bir kısa-devre akımı ve %83,40'lık bir doldurma faktörü göstermektedir. Maksimum güç noktası takibi çalışırken modülün çıkışı 19,4 W seviyesinde stabildir.
Daha da etkileyici bir şekilde, ekip toplam alanı 0,72 m² olan 150 modül-gerçek metre-ölçekli bir ürün-üreterek ortalama 144 W güç çıkışı elde etti. Bunların arasında şampiyon %22,0 sertifikalı verime ve 158,4 W çıkışa ulaşarak metre-ölçekli verimlilik rekoru kırdı.
Teknik Atılım: Yüzey Pasivasyonunu Yeniden Düşünmek
Bu başarıyı mümkün kılan neydi? Cevap, yüzey pasifleştirmesinin-akıllıca yeniden düşünülmesinde yatmaktadır; bu, perovskit katmanının sınırındaki, yük taşıyıcıları hapseden ve rekombinasyonu hızlandıran, bir cihazın güneş ışığından alabileceği voltajı ve akımı düşüren kusurları tedavi etme sürecidir.
Geleneksel pasifleştirme, laboratuvarda iyi çalışan ancak ölçek açısından sorunlu hale gelen amonyum halojenürlere (AHP'ler) dayanır. AHP'ler, geniş-alanlı üretim için kullanılan sürekli biriktirme yöntemi olan slot-kalıp kaplama-ile birleştirildiğinde, dengesiz bir şekilde dağılma eğilimi göstererek, bazı bölgeleri aşırı-işlenmiş, diğerlerini ise yetersiz-pasifleştirilmiş halde bırakır. Ayrıca neme karşı da hassastırlar ve genellikle üreticileri ölçüm-ölçekli modülleri hareketsiz atmosferlerde işlemeye zorlayarak ekipmanın karmaşıklığını ve maliyetini artırırlar.
Çin ekibi temelde farklı bir yaklaşım benimsedi. Olumsuz bir yüzeyi telafi etmek için pasifleştiriciye güvenmek yerine perovskit filmin yüzey kimyasını tasarladılaröncepasifleştiriyoruz. Yüksek doymuş buhar basıncına sahip bir solvent sistemi kullanarak, formamidinyum iyodür (FAI) açısından doğal olarak zenginleştirilmiş bir yüzey üretmek için filmin kristalizasyonunu kontrol ettiler. Daha sonra bu özel yüzeyi, geleneksel amonyum halojenürlerin yerine kurşun dioleat-kimyasal olarak stabil bir kurşun karboksilat (LCP)- ile işleme tabi tuttular.
Bulgular devrim niteliğindeydi. X-ışını fotoelektron spektroskopisi, LCP ile FAI-zengin yüzeyi arasında kimyasal bağların varlığını kanıtlarken, fotolüminesans analizi, taşıyıcı ömrünün 264 nanosaniyeden 706 nanosaniyeye çıktığını gösterdi; bu, taşıyıcı yakalamanın önemli ölçüde azaldığı ve pasifleştirme kalitesinin önemli ölçüde arttığı anlamına geliyordu. Makro ölçekte düzensiz birikimler ve kusurlar sergileyen AHP ile işlenen filmlerin aksine, LCP işlemi, neme, ısıya ve UV radyasyonuna karşı gelişmiş dirençle karakterize edilen sürekli hidrofobik filmlerle sonuçlandı.
Dayanıklılık: Yapbozun Eksik Parçası
Verimlilik hikayenin sadece yarısıdır. Herhangi bir fotovoltaik teknolojinin ticari olarak başarılı olabilmesi için, onlarca yıllık gerçek- hava koşullarına dayanması gerekir. Burada LCP yaklaşımı eşit derecede çarpıcı sonuçlar verdi.
Uluslararası Elektroteknik Komisyonu'nun (IEC) standart testlerinde, LCP{0}} ile işlenmiş modüller dikkate değer bir dayanıklılık gösterdi. 1.300 saatlik nemli-ısıya maruz kaldıktan sonra, LCP modülleri başlangıç verimliliklerinin yalnızca %2'sini kaybetti-bu oran AHP- ile işlenmiş modüller için %39'du. 300 termal döngüden sonra bozulma ihmal edilebilir düzeydeydi. 2.200 saatlik maksimum güç noktası takibinin ardından modüller başlangıçtaki verimliliklerinin %96'sını korudu. Ayrıca UV yaşlanmasından sonra başlangıç performansının %95'ini korudular. Tüm LCP{18}}değiştirilmiş modüller, karasal fotovoltaik modüllerin dayanıklılığını belirlemek için kullanılan uluslararası standart olan IEC 61215 güvenilirlik test paketinin tamamını geçti. Saha izlemesi, spesifik enerji çıktılarının silikon TOPCon modüllerininkini aştığını gösterdi.
Bu Güneş Enerjisi Endüstrisi İçin Neden Önemli?
Bu atılım küresel güneş enerjisi endüstrisi için derin etkiler taşıyor.
İlk olarak, perovskit fotovoltaiklerin sıkı bir şekilde kontrol edilen atıl ortamlar gerektirmek yerine ortam havası-işlemesi kullanılarak üretilebileceğini gösteriyor. Bu, endüstriyel-ölçekli üretimin önündeki büyük maliyet engelini ortadan kaldırır.
İkinci olarak, yaklaşım, uzun süredir tamamen kusurlu-tedavi katmanlarını bloke eden faydayı sınırlayan pasifleştirme-karşı-iletkenlik değiş tokuşunu- ele alıyor. LCP stratejisi, hem elektronik kusurları bastırarak hem de arayüz boyunca taşıyıcı aktarımını geliştirerek çoğu kişinin imkansız olduğunu düşündüğü şeyi başarıyor: daha büyük ölçekte daha iyi performans.
Üçüncüsü ve belki de en önemlisi, ekibin üretilen ve test edilen 150 modülle-ölçekte-başarısı-teknolojinin araştırma hücrelerinden üretimle ilgili-mimarilere dönüştürülebileceğini kanıtlıyor. Araştırmacıların belirttiği gibi, sonuçları, kasıtlı olarak tasarlanmış yüzey kimyasını kararlı, ortam-uyumlu bir pasifleştiriciyle- eşleştiren bir üretim stratejisini ortaya koyuyor; bu yaklaşım, yüksek düzeyde optimize edilmiş laboratuvar perovskit hücreleri ile sürekli, endüstriyel-ölçekli kaplamayla yapılan modüller arasındaki boşluğu kapatmaya yardımcı olabilir.
Önümüzdeki Yol
Büyük-alanlı perovskit modüller için %24 verimlilik dönüm noktası bir uç nokta değil-bu bir ara noktadır. Sektör gözlemcileri, sürekli iyileştirmeyle %26 verimliliğe ulaşan 2-3 m²'lik ticari modüllerin ulaşılabilir olduğunu belirtiyor. Bu arada, tandem perovskit-silikon ve tüm-perovskit tandem mimarileri sınırları zorlamaya devam ediyor; bazı yapılandırmalar halihazırda daha küçük ölçeklerde %26 verimliliği aşıyor.
Nanjing Üniversitesi-Renshine Solar işbirliğinin kanıtladığı şey, perovskit fotovoltaiklerin artık yalnızca laboratuvar merakı olmadığıdır. Üretilebilir, dayanıklı ve giderek daha verimli hale gelen bir gerçeklik haline geliyorlar. Dünya, enerji sistemlerini karbondan arındırmak için yarışırken, bu atılım, yeni nesil güneş enerjisi teknolojisinin onlarca yıl uzakta olmadığını, her seferinde bir rekor olmak üzere şu anda inşa edildiğini güçlü bir şekilde hatırlatıyor-.
