Забележително развитие във фотоволтаичната технология беше заявено от екип от изследователи, ръководени от университета в Нанкин и сътрудничещи с производителя на слънчеви клетки Renshine Solar, тъй като те създадоха соларен модул от перовскит с площ от 810 cm² и ефективност на преобразуване на слънчевата енергия в електричество от 24,0%. Този резултат е потвърден от TÜV SÜD и е световен рекорд в създаването на перовскитни модули с площ над 800 cm². Констатациите са публикувани в списание "Nature".
Отвъд лабораторията: Предизвикателството на мащаба
Перовскитните слънчеви клетки отдавна заслепяват изследователите с бързото си повишаване на ефективността-от само 3,8% през 2009 г. до над 25% в лабораторни-устройства днес. Но пътят от малка лабораторна клетка до търговски жизнеспособен голям модул е изпълнен с препятствия. Тъй като устройствата се увеличават, дефектите се умножават, покритията стават неравномерни и ефективността рязко пада. Тази "разлика в мащаба" е най-голямата бариера пред комерсиализацията на перовскит.
Екипът от университета в Нанкин най-накрая измина успешно това разстояние. Техният модул с размери 810 cm²; подобен на обикновен лист хартия, е довел до рекордна ефективност от 24,2% за модула, тестван в лабораторни условия, докато независимото сертифициране потвърди ефективност от 24,0%. Модулът също показва напрежение на отворена верига от 53,46 V, ток на късо съединение от 0,436 A и коефициент на запълване от 83,40%. Докато проследяването на максимална мощност работи, изходът на модула е стабилен на ниво от 19,4 W.
Още по-впечатляващо е, че екипът изработи 150 модула с обща площ от 0,72 m²-продукт с истински метър-мащаб-постигайки средна изходна мощност от 144 W. Шампионът сред тях достигна сертифицирана ефективност от 22,0% и изходна мощност от 158,4 W, поставяйки рекорд за ефективност на метър-мащаб.
Техническият пробив: преосмисляне на повърхностната пасивация
Какво направи това постижение възможно? Отговорът се крие в интелигентно преосмисляне на повърхностната пасивация-процесът на третиране на дефекти на границата на перовскитния слой, които улавят носители на заряд и ускоряват рекомбинацията, намалявайки напрежението и тока, които устройството може да извлече от слънчевата светлина.
Конвенционалната пасивация разчита на амониеви халиди (AHP), които работят добре в лабораторията, но стават проблематични в мащаб. Когато се комбинират с-покритие на матрицата-методът на непрекъснато отлагане, използван за-производство на голяма площ-AHP са склонни да се разпределят неравномерно, оставяйки някои региони прекалено-третирани, а други недостатъчно-пасивирани. Те също така са чувствителни към влага, което обикновено принуждава производителите да обработват измервателни-модули в инертна атмосфера, добавяйки сложност на оборудването и разходи.
Китайският екип предприе коренно различен подход. Вместо да разчитат на пасиватора, за да компенсират неблагоприятната повърхност, те проектират повърхностната химия на перовскитния филмпредипасивирайки го. Използвайки система от разтворители с високо налягане на наситените пари, те контролират кристализацията на филма, за да произведат повърхност, естествено обогатена с формамидиниев йодид (FAI). След това те третираха тази персонализирана повърхност с оловен диолеат-химически стабилен оловен карбоксилат (LCP)-вместо конвенционалните амониеви халиди.
Констатациите бяха революционни. Рентгеновата фотоелектронна спектроскопия доказа наличието на химични връзки между LCP и повърхността, богата на FAI-, докато анализът на фотолуминесценцията показа, че животът на носителя се е увеличил от 264 наносекунди на 706 наносекунди, което означава, че улавянето на носител е намаляло значително и качеството на пасивация се е подобрило значително. За разлика от филмите, третирани с AHP, които показват неравномерни отлагания и дефекти в макромащаб, лечението с LCP доведе до непрекъснати хидрофобни филми, характеризиращи се с подобрена устойчивост на влага, топлина и UV радиация.
Издръжливост: Липсващото парче от пъзела
Ефективността е само половината от историята. За да успее всяка фотоволтаична технология в търговската мрежа, тя трябва да издържи десетилетия на реално-атмосферно време. Тук LCP подходът даде също толкова поразителни резултати.
В стандартните тестове на Международната електротехническа комисия (IEC) модулите, третирани с LCP-, показаха забележителна устойчивост. След 1300 часа излагане на влажна-топлина, LCP модулите загубиха само 2% от първоначалната си ефективност-в сравнение с 39% за модулите, третирани с AHP-. След 300 термични цикъла разграждането е незначително. След 2200 часа проследяване на максимална мощност, модулите запазиха 96% от първоначалната си ефективност. Те също така запазват 95% от първоначалната ефективност след UV стареене. Всички LCP-модифицирани модули преминаха пълния набор от тестове за надеждност IEC 61215-международният стандарт, използван за квалифициране на издръжливостта на наземните фотоволтаични модули. Мониторингът на място показа, че тяхната специфична енергийна мощност надвишава тази на силициевите модули TOPCon.
Защо това има значение за слънчевата индустрия
Този пробив има дълбоки последици за глобалната соларна индустрия.
Първо, той демонстрира, че перовскитните фотоволтаици могат да бъдат произведени с помощта на-околна обработка на въздуха, вместо да изискват строго контролирана инертна среда. Това премахва основната ценова бариера пред -производството в промишлен мащаб.
Второ, подходът е насочен към размяната-срещу-проводимостта-, която отдавна ограничава ползата от слоевете за обработка,-блокиращи чисто дефекти. Чрез едновременно потискане на електронните дефекти и подобряване на транспорта на оператора през интерфейса, LCP стратегията постига това, което мнозина смятаха за невъзможно: по-добра производителност в по-голям мащаб.
Трето, и може би най-важно, успехът на екипа в метър-мащаб-със 150 произведени и тествани-модула доказва, че технологията може да бъде преведена от изследователски клетки в производствени-подходящи архитектури. Както отбелязват изследователите, техните резултати демонстрират производствена стратегия, която съчетава съзнателно проектирана химия на повърхността със стабилен, -съвместим с околната среда пасиватор-подход, който може да помогне за затваряне на празнината между силно оптимизирани лабораторни перовскитни клетки и модули, направени чрез непрекъснато покритие в индустриален-мащаб.
Пътят напред
Ефективността от 24% за перовскитни модули с голяма-площ не е крайна точка-а точка. Наблюдателите от индустрията отбелязват, че с непрекъснато усъвършенстване, търговските модули от 2–3 m², постигащи 26% ефективност, са в обсега. Междувременно тандемният перовскит-силиций и всички-перовскитни тандемни архитектури продължават да разширяват границите, като някои конфигурации вече надхвърлят 26% ефективност в по-малки мащаби.
Това, което сътрудничеството-Renshine Solar на университета Нанкин доказа е, че перовскитните фотоволтаици вече не са просто лабораторно любопитство. Те се превръщат в изработваема, издръжлива и все по-ефективна реалност. Докато светът се надпреварва да декарбонизира своите енергийни системи, този пробив предлага мощно напомняне, че следващото поколение слънчева технология не е след десетилетия-то се изгражда точно сега, рекорд по рекорд.
