...

Ogniwo perowskitowo-krzemowe HZB w technologii tandemowej

9 lutego 2022
Ogniwo perowskitowo-krzemowe HZB w technologii tandemowej

Pod koniec 2021 r. trzy zespoły Helmholtz Zentrum Berlin (HZB), kierowane przez prof. Christiane Becker, prof. Bernda Stannowskiego i prof. Steve’a Albrechta, wspólnie zdołały zwiększyć wydajność tandemowych ogniw słonecznych z krzemu perowskitowego, wyprodukowanych w całości w HZB do nowej rekordowej wartości 29,80%. Wartość została oficjalnie poświadczona i jest udokumentowana na wykresach National Renevable Energy Laboratory (NREL). To sprawia, że 30% jest w zasięgu ręki.

Dzisiejsze moduły fotowoltaiczne są wykonane głównie z krzemu, a możliwości dalszego wzrostu ich wydajności zostały już w dużej mierze wykorzystane. Ale od 2008 r. w centrum zainteresowania znalazła się klasa materiałów perowskitów metalohalogenkowych. Te związki półprzewodnikowe bardzo dobrze przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną i nadal oferują wiele możliwości ulepszeń. W szczególności można je łączyć z krzemowymi ogniwami fotowoltaicznymi, tworząc ogniwa tandemowe, które znacznie wydajniej wykorzystują światło słoneczne.

Wyścig po rekordy

W HZB od 2015 r. kilka grup naukowców intensywnie pracuje zarówno nad technologiami półprzewodników perowskitowych, jak i krzemowymi oraz nad ich połączeniem w innowacyjne tandemowe ogniwa słoneczne. W styczniu 2020 r. HZB osiągnął rekordowe 29,15% dla tandemowego ogniwa słonecznego z krzemem perowskitowym i opublikował wyniki w czasopiśmie „Science”. Następnie, przed Bożym Narodzeniem 2020 r., firma Oxford PV mogła ogłosić certyfikowaną wydajność na poziomie 29,52%. Od tego czasu trwa ekscytujący wyścig po nowe rekordy. – Sprawność 30% jest jak psychologiczny próg dla tej fascynującej nowej technologii, która może zrewolucjonizować przemysł fotowoltaiczny w niedalekiej przyszłości – wyjaśnia Steve Albrecht, który pracuje nad cienkimi foliami perowskitu w laboratorium HySPRINT w HZB. Bernd Stannowski, lider grupy ds. technologii krzemowej, dodaje: – Chciałbym szczególnie podkreślić dobrą współpracę między różnymi grupami i instytutami w HZB. W ten sposób udało nam się opracować nowe tandemowe ogniwa słoneczne całkowicie w HZB i po raz kolejny uzyskać rekord świata.

Oficjalna certyfikacja

Ostatnie badania i rozwój skupiły się na optycznym ulepszeniu dolnego ogniwa krzemowego z heterozłączem. Dodano nanoteksturowaną przednią stronę i dielektryczny odbłyśnik tylny. Teraz nadeszło oficjalne potwierdzenie Fraunhofer ISE CalLab: – Nasze nowe krzemowe tandemowe ogniwa słoneczne z perowskitu zostały niezależnie certyfikowane z rekordową wydajnością na poziomie 29,80% – mówi zachwycona Christiane Becker, ekspert od nanostruktur w ogniwach słonecznych, ich wpływu na optykę i właściwości elektryczne.

Krzem nanostrukturalny

W ramach nowej pracy dr Philipp Tockhorn (grupa Albrechta) i doktorant Johannes Sutter (grupa Becker) zbadali, w jaki sposób nanostruktury na różnych powierzchniach styku wpływają na wydajność tandemowego ogniwa słonecznego, składającego się z perowskitu w górnej warstwie ogniwa krzemowego. Naukowcy najpierw wykorzystali symulację komputerową do obliczenia gęstości fotoprądu w podogniwach perowskitu i krzemu dla różnych geometrii z nanoteksturami i bez nich. Następnie wyprodukowali tandemowe ogniwa słoneczne z perowskitu krzemowego o różnych teksturach: – Nawet nanoteksturowanie z jednej strony poprawia absorpcję światła i umożliwia wyższy prąd fotoelektryczny w porównaniu z płaskim wzorcem – mówi Sutter.

Odbłyśnik dielektryczny

Ulepszono również tylną stronę tandemowego ogniwa słonecznego, która ma odbijać światło podczerwone z powrotem do absorbera krzemowego. – Dzięki zastosowaniu odbłyśnika dielektrycznego byliśmy w stanie wykorzystać tę część światła słonecznego bardziej efektywnie, co skutkuje wyższym prądem fotoelektrycznym – mówi dr Alexandros Cruz Bournazou (grupa Stannowskiego).

Perspektywy są jasne

Wyniki otwierają drogę do dalszych ulepszeń. Symulacje sugerują, że wydajność można by jeszcze bardziej zwiększyć poprzez nanostrukturyzację warstw absorbera po obu stronach. Naukowcy są przekonani, że wkrótce będzie można osiągnąć wydajność znacznie przekraczającą 30%. Wyścig trwa.

Źródło: HZB Helmholtz Zentrum Berlin

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika