Команда дослідників під керівництвом Нанкінського університету, яка співпрацює з виробником сонячних батарей Renshine Solar, заявила про значний розвиток фотоелектричних технологій, оскільки вони створили перовскітний сонячний модуль площею 810 см² і ефективністю перетворення сонячної енергії в електрику 24,0%. Цей результат підтверджено TÜV SÜD і є світовим рекордом у створенні перовскітових модулів площею понад 800 см². Висновки були опубліковані в журналі "Nature".
За межами лабораторії: виклик масштабу
Перовскітові сонячні батареї давно вражають дослідників швидким підвищенням ефективності-від лише 3,8% у 2009 році до понад 25% у лабораторних-пристроях сьогодні. Але шлях від крихітної лабораторної камери до комерційно життєздатного великого модуля був сповнений перешкод. Коли пристрої збільшуються, дефекти збільшуються, покриття стає нерівним, а ефективність різко падає. Ця «різниця в масштабі» була єдиною найбільшою перешкодою для комерціалізації перовскіту.
Команда з Нанкінського університету нарешті успішно подолала цю відстань. Їхній модуль розміром 810 см²; Подібно до звичайного аркуша паперу, дав рекордну ефективність 24,2% для модуля, протестованого в лабораторних умовах, тоді як незалежна сертифікація підтвердила ефективність 24,0%. Модуль також демонстрував напругу-розімкнутого ланцюга 53,46 В, струм-короткого замикання 0,436 А та коефіцієнт заповнення 83,40%. При роботі відстеження точки максимальної потужності вихідна потужність модуля стабільно знаходиться на рівні 19,4 Вт.
Ще більш вражаюче те, що команда виготовила 150 модулів із загальною площею 0,72 м²-справжній продукт метрового-масштабу-досягнувши середньої вихідної потужності 144 Вт. Чемпіон серед них досяг сертифікованої ефективності 22,0% і вихідної потужності 158,4 Вт, встановивши рекорд ефективності лічильника-.
Технічний прорив: переосмислення пасивації поверхні
Завдяки чому стало можливим це досягнення? Відповідь полягає в розумному переосмисленні пасивації поверхні-процесу обробки дефектів на межі перовскітного шару, які захоплюють носії заряду та прискорюють рекомбінацію, знижуючи напругу та струм, які пристрій може отримати від сонячного світла.
Звичайна пасивація базується на галогенідах амонію (AHP), які добре працюють у лабораторії, але стають проблематичними у великих масштабах. У поєднанні з-покриттям на штампі-метод безперервного осадження, який використовується для-виробництва на великих площах-AHP, як правило, розподіляються нерівномірно, залишаючи одні ділянки надмірно-обробленими, а інші — недостатньо-пасивованими. Вони також чутливі до вологи, що зазвичай змушує виробників обробляти вимірювальні-модулі в інертній атмосфері, що ускладнює обладнання та підвищує вартість.
У китайської команди був принципово інший підхід. Замість того, щоб покладатися на пасиватор для компенсації несприятливої поверхні, вони сконструювали хімічний склад поверхні плівки перовскіту.ранішепасивуючи його. Використовуючи систему розчинників з високим тиском насиченої пари, вони контролювали кристалізацію плівки для отримання поверхні, природно збагаченої йодидом формамідинію (FAI). Потім вони обробили спеціальну поверхню діолеатом свинцю-хімічно стабільним карбоксилатом свинцю (LCP)-замість звичайних галогенідів амонію.
Знахідки були революційними. Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія довела наявність хімічних зв’язків між LCP і багатою поверхнею FAI-, тоді як аналіз фотолюмінесценції показав, що час життя носіїв збільшився з 264 наносекунд до 706 наносекунд, що означає, що захоплення носіїв значно зменшилося, а якість пасивації значно покращилася. На відміну від плівок, оброблених AHP, які демонстрували нерівномірне осадження та дефекти в макромасштабі, обробка LCP призвела до отримання суцільних гідрофобних плівок, що характеризуються покращеною стійкістю до вологи, тепла та УФ-випромінювання.
Довговічність: відсутня частина головоломки
Ефективність – це лише половина справи. Щоб будь-яка фотоелектрична технологія була комерційно успішною, вона має витримувати десятиліття реальної-погоди. Тут підхід LCP дав настільки ж вражаючі результати.
Під час стандартних випробувань Міжнародної електротехнічної комісії (IEC) модулі, оброблені LCP-, показали надзвичайну стійкість. Після 1300 годин впливу вологого-нагрівання модулі LCP втратили лише 2% своєї початкової ефективності-порівняно з 39% для модулів, оброблених AHP-. Після 300 термічних циклів деградація була незначною. Після 2200 годин відстеження точки максимальної потужності модулі зберегли 96% початкової ефективності. Вони також зберегли 95% початкових характеристик після УФ-старіння. Усі модифіковані модулі LCP-пройшли повний набір тестів на надійність IEC 61215-– міжнародний стандарт, який використовується для оцінки довговічності наземних фотоелектричних модулів. Польовий моніторинг показав, що їхня питома енерговіддача перевищує питому енергію кремнієвих модулів TOPCon.
Чому це важливо для сонячної промисловості
Цей прорив має глибокі наслідки для глобальної сонячної промисловості.
По-перше, це демонструє, що перовскітові фотоелектричні елементи можна виготовляти за допомогою-обробки навколишнього повітря, а не в строго контрольованому інертному середовищі. Це усуває головну бар’єрну вартість для промислового -виробництва.
По-друге, цей підхід стосується компромісу-пасивації та-провідності-, який тривалий час обмежував переваги шарів обробки,-що блокують суто дефекти. Завдяки придушенню електронних дефектів і покращенню транспортування несучої через інтерфейс, стратегія LCP досягає того, що багато хто вважав неможливим: кращої продуктивності у великому масштабі.
По-третє, і, мабуть, найважливіше, успіх команди в метровому-масштабі-зі 150 виробленими та перевіреними модулями-доводить, що технологію можна перевести з дослідницьких осередків у виробничу-відповідну архітектуру. Як зазначили дослідники, їхні результати демонструють виробничу стратегію, яка поєднує навмисно сконструйовану хімію поверхні зі стабільним, -сумісним пасиватором-. Це підхід, який може допомогти усунути розрив між високооптимізованими лабораторними перовскітними комірками та модулями, виготовленими безперервним промисловим-покриттям.
Дорога вперед
Ефективність у 24% для перовскітових модулів із великою-площею не є кінцевою точкою-це точкою шляху. Оглядачі галузі відзначають, що за умови постійного вдосконалення комерційні модулі площею 2–3 м² із ефективністю 26% цілком доступні. Тим часом тандемний перовскіт-кремній і всі-перовскітні тандемні архітектури продовжують розширювати межі, причому ефективність деяких конфігурацій уже перевищує 26% у менших масштабах.
Колаборація-Renshine Solar Нанкінського університету довела, що перовскітові фотоелектричні пристрої більше не є лише лабораторною цікавиною. Вони стають технологічною, довговічною та все більш ефективною реальністю. Оскільки світ поспішає декарбонізувати свої енергетичні системи, цей прорив є потужним нагадуванням про те, що до наступного покоління сонячних технологій не залишилося десятиліть-вона будується прямо зараз, один рекорд за раз.
