Pētnieku komanda, ko vada Nanjingas Universitāte un sadarbojas ar saules bateriju ražotāju Renshine Solar, ir apgalvojusi, ka fotoelementu tehnoloģijā ir ievērojama attīstība, jo viņi ir izveidojuši perovskīta saules moduli ar platību 810 cm² un saules enerģijas pārvēršanas elektrībā efektivitāti 24,0%. Šo rezultātu ir pārbaudījis TÜV SÜD, un tas ir pasaules rekords perovskītu moduļu izveidē, kuru platība pārsniedz 800 cm². Rezultāti ir publicēti žurnālā "Nature".
Ārpus laboratorijas: mēroga izaicinājums
Perovskīta saules baterijas jau sen ir apžilbinājušas pētniekus ar to straujo efektivitātes pieaugumu-no tikai 3,8% 2009. gadā līdz vairāk nekā 25% laboratorijas{4}}mēroga ierīcēs mūsdienās. Taču ceļš no mazas laboratorijas šūnas uz komerciāli dzīvotspējīgu lielu moduli ir bijis pilns ar šķēršļiem. Palielinoties ierīcēm, defekti vairojas, pārklājumi kļūst nevienmērīgi un efektivitāte strauji samazinās. Šī "mēroga plaisa" ir bijis vienīgais lielākais šķērslis perovskīta komercializācijai.
Naņdzjinas universitātes komanda beidzot šo distanci veikusi veiksmīgi. To modulis, kura izmērs ir 810 cm²; līdzīgi kā parasta papīra lapa, laboratorijas apstākļos pārbaudītajam modulim ir radījis rekordaugstu efektivitāti 24,2%, savukārt neatkarīgā sertifikācija apstiprināja efektivitāti 24,0%. Modulis ir arī uzrādījis atvērtas ķēdes spriegumu 53,46 V, īsslēguma strāvu 0,436 A un piepildījuma koeficientu 83,40%. Kamēr darbojas maksimālā jaudas punkta izsekošana, moduļa jauda ir stabila 19,4 W līmenī.
Vēl iespaidīgāk komanda izgatavoja 150 moduļus ar kopējo platību 0,72 m²-īstu skaitītāja-mēroga produktu-, sasniedzot vidējo jaudu 144 W. Čempions starp tiem sasniedza sertificētu efektivitāti 22,0% un jaudu 158,4 W, uzstādot mērogu efektivitātes rekordu{{.9}}.
Tehniskais izrāviens: virsmas pasivācijas pārdomāšana
Kas padarīja šo sasniegumu iespējamu? Atbilde ir gudra virsmas pasivācijas pārdomāšana{0}}process, kurā tiek apstrādāti defekti pie perovskīta slāņa robežas, kas aiztur lādiņu nesējus un paātrina rekombināciju, samazinot spriegumu un strāvu, ko ierīce var iegūt no saules gaismas.
Parastā pasivēšana balstās uz amonija halogenīdiem (AHP), kas labi darbojas laboratorijā, bet kļūst problemātiski mērogā. Apvienojot ar spraugas-pārklājumu-, nepārtrauktas nogulsnēšanas metode, ko izmanto lielas-platības ražošanā-AHP mēdz sadalīties nevienmērīgi, atstājot dažus reģionus pār-pārstrādātus, bet citus nepietiekami-pasivētus. Tie ir arī jutīgi pret mitrumu, parasti ražotājiem liekot apstrādāt mērierīču-mēroga moduļus inertā atmosfērā, tādējādi padarot iekārtu sarežģītāku un izmaksas.
Ķīnas komanda izvēlējās principiāli atšķirīgu pieeju. Tā vietā, lai paļautos uz pasivatoru, lai kompensētu nelabvēlīgu virsmu, viņi izstrādāja perovskīta plēves virsmas ķīmijupirms tamto pasivējot. Izmantojot šķīdinātāju sistēmu ar augstu piesātinājuma tvaika spiedienu, tie kontrolēja plēves kristalizāciju, lai iegūtu virsmu, kas dabiski bagātināta ar formamidīnija jodīdu (FAI). Pēc tam viņi apstrādāja šo pielāgoto virsmu ar svina dioleātu -ķīmiski stabilu svina karboksilātu (LCP)-tradicionālo amonija halogenīdu vietā.
Atklājumi bija revolucionāri. Rentgenstaru fotoelektronu spektroskopija pierādīja ķīmisko saišu esamību starp LCP un FAI-bagāto virsmu, savukārt fotoluminiscences analīze parādīja, ka nesēja kalpošanas laiks palielinājās no 264 nanosekundēm līdz 706 nanosekundēm, kas nozīmē, ka nesēja uztveršana ievērojami samazinājās un pasivācijas kvalitāte ievērojami uzlabojās. Atšķirībā no AHP apstrādātajām plēvēm, kurām makro mērogā bija nevienmērīgi nosēdumi un defekti, LCP apstrādes rezultātā tika izveidotas nepārtrauktas hidrofobas plēves, kurām raksturīga uzlabota izturība pret mitrumu, karstumu un UV starojumu.
Izturība: trūkstošais mīklas gabals
Efektivitāte ir tikai puse no stāsta. Lai jebkura fotoelementu tehnoloģija gūtu panākumus komerciāli, tai ir jāiztur gadu desmiti reālos laikapstākļos-. Šeit LCP pieeja sniedza vienlīdz pārsteidzošus rezultātus.
Starptautiskās elektrotehniskās komisijas (IEC) standarta pārbaudēs ar LCP{0}}apstrādāti moduļi uzrādīja ievērojamu noturību. Pēc 1300 stundu ilgas mitra-karstuma iedarbības LCP moduļi zaudēja tikai 2% no sākotnējās efektivitātes,-salīdzinājumā ar 39% ar AHP{8}}apstrādātiem moduļiem. Pēc 300 termiskiem cikliem noārdīšanās bija niecīga. Pēc 2200 stundu maksimālās jaudas punkta izsekošanas moduļi saglabāja 96% no sākotnējās efektivitātes. Tie arī saglabāja 95% no sākotnējās veiktspējas pēc UV novecošanas. Visi LCP{18}}modificētie moduļi izturēja pilnu IEC 61215 uzticamības testu komplektu{20}}starptautisko standartu, ko izmanto, lai kvalificētu zemes fotoelektrisko moduļu izturību. Lauka monitorings parādīja, ka to īpatnējā enerģijas jauda pārsniedz silīcija TOPCon moduļu īpatnējo enerģiju.
Kāpēc tas ir svarīgi saules enerģijas nozarei?
Šim sasniegumam ir liela ietekme uz pasaules saules enerģijas nozari.
Pirmkārt, tas parāda, ka perovskīta fotoelementus var ražot, izmantojot apkārtējā-gaisa apstrādi, nevis stingri kontrolētu inertu vidi. Tādējādi tiek novērsts galvenais izmaksu šķērslis rūpnieciskai{2}}ražošanai.
Otrkārt, šī pieeja risina pasivācijas-pret-vadītspējas kompromisu-, kas jau sen ir ierobežojis tīri defektu-bloķējošo apstrādes slāņu priekšrocības. Gan novēršot elektroniskos defektus, gan uzlabojot nesēja transportēšanu visā saskarnē, LCP stratēģija panāk to, ko daudzi uzskatīja par neiespējamu: labāku veiktspēju plašākā mērogā.
Treškārt, un, iespējams, vissvarīgākais, komandas panākumi mērogā-mērogā-ar 150 saražotiem un pārbaudītiem moduļiem-pierāda, ka tehnoloģiju var pārvērst no pētniecības šūnām ražošanas-attiecīgās arhitektūrās. Kā atzīmēja pētnieki, viņu rezultāti parāda ražošanas stratēģiju, kurā apzināti izstrādāta virsmas ķīmija tiek apvienota ar stabilu, ar apkārtējo vidi saderīgu -saderīgu pasivatoru-, kas varētu palīdzēt novērst plaisu starp ļoti optimizētām laboratorijas perovskīta šūnām un moduļiem, kas izgatavoti ar nepārtrauktu, rūpniecisku{8}}pārklājumu.
Ceļš priekšā
24% efektivitātes pagrieziena punkts lieliem -platības perovskīta moduļiem nav galapunkts-, tas ir pieturas punkts. Nozares novērotāji atzīmē, ka, turpinot pilnveidošanu, ir sasniedzami 2–3 m² lieli komerciālie moduļi, kas sasniedz 26% efektivitāti. Tikmēr tandēma perovskīta-silīcija un visas -perovskīta tandēma arhitektūras turpina virzīt robežas, un dažas konfigurācijas jau pārsniedz 26% efektivitāti mazākā mērogā.
Nanjing University{0}}Renshine Solar sadarbība ir pierādījusi, ka perovskīta fotoelementi vairs nav tikai laboratorijas zinātkāre. Tie kļūst par izgatavojamu, izturīgu un arvien efektīvāku realitāti. Kamēr pasaule sacenšas, lai dekarbonizētu savas enerģijas sistēmas, šis sasniegums ir spēcīgs atgādinājums, ka nākamās paaudzes saules tehnoloģija vairs nav desmitiem gadu attālumā-tā tiek veidota tieši tagad, pa vienam rekordam.
