En bemerkelsesverdig utvikling innen solcelleteknologi har blitt hevdet av et team av forskere ledet av Nanjing University, og samarbeider med solcelleprodusenten Renshine Solar, da de har laget en perovskitt solcellemodul med et areal på 810 cm² og effektiviteten til å konvertere solenergien til elektrisitet på 24,0 %. Dette resultatet er verifisert av TÜV SÜD, og det er verdensrekord i å lage perovskitter-moduler på over 800 cm². Funnene er publisert i tidsskriftet "Nature."
Beyond the Laboratory: The Scale Challenge
Perovskite-solceller har lenge blendet forskere med sine raske effektivitetsgevinster-fra bare 3,8 % i 2009 til over 25 % i laboratorie-enheter i dag. Men veien fra en liten laboratoriecelle til en kommersielt levedyktig stor modul har vært full av hindringer. Etter hvert som enhetene skaleres opp, defekter multipliseres, belegg blir ujevne og effektiviteten synker. Dette "skalagapet" har vært den største enkeltbarrieren for perovskitt-kommersialisering.
Teamet fra Nanjing University har endelig tilbakelagt denne distansen vellykket. Modulen deres, måler 810 cm²; ligner på et vanlig papirark, har gitt en rekordeffektivitet på 24,2 % for modulen testet under laboratorieforhold, mens den uavhengige sertifiseringen bekreftet en effektivitet på 24,0 %. Modulen har også vist en åpen-spenning på 53,46 V, en kort-strøm på 0,436 A og en fyllingsfaktor på 83,40 %. Mens maksimal strømpunktsporing fungerer, er utgangen til modulen stabil på nivået 19,4 W.
Enda mer imponerende, laget laget 150 moduler med et totalt areal på 0,72 m²-et ekte meter-skalaprodukt-som oppnådde en gjennomsnittlig effekt på 144 W. Mesteren blant disse nådde en sertifisert effektivitet på 22,0 % og en effekt på 158,4 meter{9}} og satte en skalarekord.
Det tekniske gjennombruddet: Retenking av overflatepassivering
Hva gjorde denne prestasjonen mulig? Svaret ligger i en smart omtenkning av overflatepassivering-prosessen med å behandle defekter ved grensen til perovskittlaget som fanger opp ladningsbærere og akselererer rekombinasjonen, og senker spenningen og strømmen en enhet kan trekke ut fra sollys.
Konvensjonell passivering er avhengig av ammoniumhalogenider (AHP), som fungerer godt i laboratoriet, men som blir problematiske i stor skala. Når den kombineres med spalte-dysebelegg-, har den kontinuerlige avsetningsmetoden som brukes for stor-produksjon-, en tendens til å fordele seg ujevnt, noe som etterlater noen områder over-behandlet og andre under-passiverte. De er også følsomme for fuktighet, noe som vanligvis tvinger produsenter til å behandle måler-skalamoduler inne i inerte atmosfærer, noe som øker utstyrets kompleksitet og kostnader.
Det kinesiske teamet tok en fundamentalt annen tilnærming. I stedet for å stole på passivatoren for å kompensere for en ugunstig overflate, konstruerte de perovskittfilmens overflatekjemiførpassivisere det. Ved å bruke et løsningsmiddelsystem med høyt metningsdamptrykk kontrollerte de filmens krystallisering for å produsere en overflate naturlig anriket på formamidiniumjodid (FAI). De behandlet deretter den skreddersydde overflaten med blydioleat-et kjemisk stabilt blykarboksylat (LCP)-i stedet for konvensjonelle ammoniumhalogenider.
Funnene var revolusjonerende. Røntgenfotoelektronspektroskopi beviste tilstedeværelsen av kjemiske bindinger mellom LCP og den FAI-rike overflaten, mens fotoluminescensanalyse viste at bærerens levetid økte fra 264 nanosekunder til 706 nanosekunder, noe som betyr at bærerfangsten ble betydelig redusert og passiveringskvaliteten forbedret betydelig. I motsetning til filmene behandlet av AHP, som viste ujevne avsetninger og defekter i makroskala, resulterte LCP-behandlingen i kontinuerlige hydrofobe filmer preget av forbedret motstand mot fuktighet, varme og UV-stråling.
Holdbarhet: The Missing Piece of the Puzzle
Effektivitet er bare halve historien. For at enhver solcelleteknologi skal lykkes kommersielt, må den tåle flere tiår med virkelig-vær. Her ga LCP-tilnærmingen like slående resultater.
I standardtester fra International Electrotechnical Commission (IEC) viste LCP-behandlede moduler bemerkelsesverdig spenst. Etter 1300 timer med fuktig-varmeeksponering mistet LCP-moduler bare 2 % av sin opprinnelige effektivitet-sammenlignet med 39 % for AHP-behandlede moduler. Etter 300 termiske sykluser var nedbrytningen ubetydelig. Etter 2200 timer med maksimal strømpunktsporing, beholdt modulene 96 % av sin opprinnelige effektivitet. De beholdt også 95 % av den første ytelsen etter UV-aldring. Alle LCP-modifiserte moduler besto den fullstendige IEC 61215 reliabilitetstestsuiten-den internasjonale standarden som brukes for å kvalifisere holdbarheten til jordbaserte solcellemoduler. Feltovervåking viste at deres spesifikke energieffekt oversteg den for TOPCon-moduler i silisium.
Hvorfor dette er viktig for solenergiindustrien
Dette gjennombruddet har store implikasjoner for den globale solenergiindustrien.
For det første demonstrerer den at perovskitt solceller kan produseres ved hjelp av omgivelses-luftbehandling i stedet for å kreve strengt kontrollerte inerte miljøer. Dette fjerner en stor kostnadsbarriere for produksjon i industriell-skala.
For det andre adresserer tilnærmingen passivering-versus-konduktivitetsavveining-som lenge har begrenset fordelen med rent defekt-blokkerende behandlingslag. Ved å både undertrykke elektroniske defekter og forbedre transport av transport på tvers av grensesnittet, oppnår LCP-strategien det mange trodde var umulig: bedre ytelse i større skala.
For det tredje, og kanskje viktigst, beviser teamets suksess i mål-skala-med 150 moduler produsert og testet- at teknologien kan oversettes fra forskningsceller til produksjonsrelevante-arkitekturer. Som forskerne bemerket, viser resultatene deres en produksjonsstrategi som kombinerer bevisst konstruert overflatekjemi med en stabil, omgivelseskompatibel-kompatibel passivator-en tilnærming som kan bidra til å lukke gapet mellom svært optimaliserte laboratorieperovskittceller og moduler laget av kontinuerlig, industriell-belegg.
Veien videre
Milepælen på 24 % effektivitet for store-perovskitemoduler er ikke et endepunkt-det er et veipunkt. Bransjeobservatører bemerker at med fortsatt foredling er 2–3 m² kommersielle moduler som oppnår 26 % effektivitet innen rekkevidde. I mellomtiden fortsetter tandem perovskite-silisium og alle-perovskite tandemarkitekturer å flytte grenser, med noen konfigurasjoner som allerede overstiger 26 % effektivitet i mindre skalaer.
Det Nanjing University-Renshine Solar-samarbeidet har bevist, er at perovskitt-solceller ikke lenger bare er en kuriositet i laboratoriet. De blir en produksjonsbar, holdbar og stadig mer effektiv realitet. Mens verden kjemper for å dekarbonisere energisystemene sine, gir dette gjennombruddet en kraftig påminnelse om at neste generasjon solenergiteknologi ikke er flere tiår unna-den bygges akkurat nå, én rekord om gangen.
