Изследователи от Центъра Хелмхолц Берлин (HZB) в Германия представиха прост начин за подобряване на производителността и търговската жизнеспособност на високоефективните „тандемни“ слънчеви елементи, които включват светлочувствителен перовскитен материал върху силиций. Резултатите от изследването са публикувани в списание Joule.
По-конкретно, изследователите са подобрили монолитните тандемни слънчеви клетки, изработени от перовскит и силиций, добавяйки ултратънък слой от цезиев хлорид между подклетките. Тази технология постига ефективност от 30,3% благодарение на ко-изпаряването без разтворител.
Микроскопско решение за слънчевата технологияСтандартните силициеви слоеве имат наноструктурирана повърхност, за да оптимизират поглъщането на светлина. Тази неравна повърхност обаче затруднява равномерното формиране на органични самоорганизиращи се монослоеве (SAM). SAM се използват предимно като слоеве за пренос на дупки. Учените от HZB са използвали най-съвременните инфрачервени и рентгенови инструменти в синхротронното съоръжение BESSY II, за да проучат подробно интерфейса между слоевете. Наблюдаваното от тях обяснява дългогодишните трудности в производствения процес.
„Органичните SAM молекули се натрупаха във вдлъбнатините на текстурирания силиций, оставяйки върховете практически непокрити. Когато изследователите се опитаха да нанесат горен слой перовскит, използвайки отлагане от пари, неравната повърхност предизвика химическа повреда: в междините се образува нежелан оловен йодид, което значително намали енергийния добив на клетката“, обясниха учените.
Добавянето на слой от цезиев хлорид модифицира микроскопичния релеф. Той действа като химическо скеле, изглаждайки неравностите на подлежащия SAM слой и насърчавайки равномерния растеж на перовскитните кристали по цялата текстурирана силициева повърхност.
„Този слой от семена компенсира повърхностните неравности, насърчавайки равномерния растеж на перовскита чрез коевапорация върху текстуриран силиций. Той също така предотвратява образуването на дефекти, причинени от неравномерното отлагане на слоя за транспортиране на дупки“, казва водещият автор д-р Виктор Шкорянц.
Чрез подобряване на качеството на слоевете, изработената тандемна слънчева клетка е постигнала ефективност от 30,3%. Според прессъобщението, това е „значително постижение за перовскитите, получени чрез изпаряване“.
Безразтворно съвместно изпарениеТози метод се основава на вакуумно съвместно изпарение – процес без разтворители, който вече е широко използван в промишленото производство. Премахването на химическите разтворители има за цел да преодолее една от основните пречки пред комерсиализацията на перовскитните слънчеви клетки: дългосрочното разграждане и нестабилност на материала.
„Производството без разтворители предпазва долните слоеве от разграждане, което позволява създаването на значително по-дълготрайни тандемни клетки. Това би могло да улесни търговското производство, осигурявайки жизнеспособна основа за масовото производство на високоефективни слънчеви панели“, отбелязват учените.
Повечето перовскитни клетки, чупещи рекорди, се произвеждат в лаборатории, използвайки процеси на центрофугиране или мокри химични разтвори, които са трудно мащабируеми до големи, текстурирани индустриални силициеви пластини. Вакуумното съвместно изпарение вече е стандартен процес, използван в производството на OLED дисплеи и микроелектроника, което значително опростява внедряването му във фабриките.
„Това е истинска стъпка напред в прехвърлянето на рекордни данни за ефективност от лабораторията към надеждни тандемни слънчеви технологии, подходящи за промишлено производство“, казва д-р Марсел Рос, ръководител на изследователската група за перовскитни слънчеви клетки, получени по метода на изпарението в HZB.
Екипът на HZB може би най-накрая е открил ключа към създаването на достъпни слънчеви панели от следващо поколение, подходящи за промишлено производство. Тандемните перовскитно-силициеви слънчеви клетки произвеждат значително повече енергия на квадратен метър от силициевите клетки, което ги прави идеално решение за ограничени в пространството градски покриви и енергоемки промишлени съоръжения, стремящи се да увеличат максимално производството на чиста енергия.
Сканиращата електронна микроскопия разкрива, че перовскитните слоеве върху наноструктуриран силиций без начален слой (вляво), имат финозърнеста структура и множество дефекти.
Освен това, перовскитите са леки и свойствата им могат да бъдат настроени, за да се получат полупрозрачни структури, което открива възможности за интегрирането в сградите (BIPV) фна отоволтаични системи. Това позволява директното внедряване на технологията за производство на енергия в архитектурните елементи като фасади на небостъргачи, стъклени прозорци и светлинни куполи.