Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze (NUS) opracowali nowatorskie, tandemowe ogniwo słoneczne perowskit/Si z potrójnym złączem, które może osiągnąć rekordową na świecie efektywność konwersji energii na poziomie 27,1% na powierzchni absorpcji energii słonecznej wynoszącej 1 cm2, co odpowiada jak dotąd najskuteczniejsze tandemowe ogniwo słoneczne perowskit/Si z potrójnym złączem. Aby to osiągnąć, zespół zaprojektował nowe perowskitowe ogniwo słoneczne zintegrowane z cyjanianem, które jest stabilne i energooszczędne.
Ogniwa słoneczne można wytwarzać z więcej niż dwóch warstw i montować w celu utworzenia wielozłączowych ogniw słonecznych w celu zwiększenia wydajności. Każda warstwa wykonana jest z różnych materiałów fotowoltaicznych i pochłania energię słoneczną w innym zakresie. Jednak obecne technologie wielozłączowych ogniw słonecznych stwarzają wiele problemów, takich jak straty energii prowadzące do niskiego napięcia i niestabilności urządzenia podczas pracy.
Aby pokonać te wyzwania, adiunkt Hou Yi kierował zespołem naukowców z NUS College of Design and Engineering (CDE) i Instytutu Badań nad Energią Słoneczną w Singapurze (SERIS), aby po raz pierwszy zademonstrować udaną integrację cyjanianu z perowskitem ogniwo słoneczne w celu opracowania najnowocześniejszego tandemowego ogniwa słonecznego z potrójnym złączem perowskit/Si, które przewyższa wydajność innych podobnych wielozłączowych ogniw słonecznych. Asst Prof Hou jest młodym profesorem prezydenta na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej w CDE, a także liderem grupy w SERIS, uniwersyteckim instytucie badawczym w NUS.
„Co ciekawe, po 15 latach ciągłych badań w dziedzinie ogniw słonecznych na bazie perowskitów, praca ta stanowi pierwszy eksperymentalny dowód na włączenie cyjanianu do perowskitów w celu zwiększenia stabilności jego struktury i poprawy wydajności konwersji energii” – powiedział doc. Ho.
Proces eksperymentalny, który doprowadził do tego przełomowego odkrycia, został opublikowany w czasopiśmie Nature 4 marca 2024 r.
Produkcja energooszczędnej technologii ogniw słonecznych
Interakcje pomiędzy składnikami struktury perowskitu determinują zakres energii, jaki może on osiągnąć. Dostosowanie proporcji tych składników lub znalezienie bezpośredniego zamiennika może pomóc w modyfikacji zakresu energetycznego perowskitu. Jednakże wcześniejsze badania nie doprowadziły jeszcze do opracowania receptury perowskitu o ultraszerokim zakresie energii i wysokiej wydajności.
W niedawno opublikowanej pracy zespół NUS przeprowadził eksperymenty z cyjanianem, nowym pseudohalogenkiem, jako substytutem bromku – jonu z grupy halogenków powszechnie stosowanego w perowskitach. Dr Liu Shunchang, pracownik naukowy w zespole doc. profesora Hou, zastosował różne metody analityczne, aby potwierdzić pomyślną integrację cyjanianu ze strukturą perowskitu, i wyprodukował perowskitowe ogniwo słoneczne zintegrowane z cyjanianem.
Dalsza analiza struktury atomowej nowego perowskitu dostarczyła – po raz pierwszy – eksperymentalnych dowodów na to, że dodanie cyjanianu pomogło ustabilizować jego strukturę i wytworzyć kluczowe interakcje w perowskicie, wykazując, że jest on realnym substytutem halogenków w ogniwach słonecznych na bazie perowskitu .
Oceniając wydajność, naukowcy z NUS odkryli, że perowskitowe ogniwa słoneczne zawierające cyjanian mogą osiągnąć wyższe napięcie wynoszące 1,422 wolta w porównaniu z 1,357 wolta w przypadku konwencjonalnych perowskitowych ogniw słonecznych, przy znacznym zmniejszeniu strat energii.
Naukowcy przetestowali także nowo opracowane perowskitowe ogniwo słoneczne, pracując w sposób ciągły z maksymalną mocą przez 300 godzin w kontrolowanych warunkach. Po okresie testowym ogniwo słoneczne pozostało stabilne i funkcjonowało na poziomie powyżej 96% wydajności.
Zachęcony imponującą wydajnością perowskitowych ogniw słonecznych zintegrowanych z cyjanianem, zespół NUS poszedł dalej w swoim przełomowym odkryciu, wykorzystując je do montażu tandemowego ogniwa słonecznego perowskit/Si z potrójnym złączem. Naukowcy połączyli perowskitowe ogniwo słoneczne i krzemowe ogniwo słoneczne, aby stworzyć dwuzłączowe półogniwo, zapewniające idealną podstawę do podłączenia perowskitowego ogniwa słonecznego zintegrowanego z cyjanianem.
Po złożeniu naukowcy wykazali, że pomimo złożoności struktury tandemowych ogniw słonecznych perowskit/Si z potrójnym złączem, pozostały one stabilne i osiągnęły potwierdzoną rekordową na świecie wydajność wynoszącą 27,1%, uzyskaną od akredytowanego niezależnego laboratorium kalibracji fotowoltaiki.
„W sumie te postępy zapewniają przełomowy wgląd w łagodzenie strat energii w perowskitowych ogniwach słonecznych i wyznaczają nowy kurs dla dalszego rozwoju technologii słonecznej z potrójnym złączem opartej na perowskicie” – powiedział doc. prof. Hou.
Następne kroki
Teoretyczna wydajność tandemowych ogniw słonecznych perowskit/Si z potrójnym złączem przekracza 50 procent, co stwarza znaczny potencjał dalszych udoskonaleń, szczególnie w zastosowaniach, w których przestrzeń instalacyjna jest ograniczona.
W przyszłości zespół NUS zamierza rozszerzyć tę technologię na większe moduły bez uszczerbku dla wydajności i stabilności. Przyszłe badania skupią się na innowacjach w zakresie interfejsów i składu perowskitu – to kluczowe obszary zidentyfikowane przez zespół w celu dalszego rozwoju tej technologii.