Nowa metoda pasywacji przełomem w komercjalizacji ogniw perowskit-krzem
Międzynarodowy zespół naukowców z Arabii Saudyjskiej i Niemiec osiągnął kolejny kamień milowy w rozwoju fotowoltaiki opartej na perowskitach. Dzięki innowacyjnej metodzie pasywacji badacze uzyskali wysoką sprawność w tandemowym ogniwie złożonym z warstwy krzemu i perowskitu. Otwiera to drogę do przemysłowej produkcji ogniw wykonanych w tej technologii.
Zespół badawczy z King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) w Arabii Saudyjskiej, niemieckiego Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) oraz uniwersytetu we Freiburgu wykazał, że możliwe jest skuteczne zastosowanie pasywacji w górnej warstwie perowskitowej ogniwa połączonej z teksturyzowanym krzemem – obecnym standardem przemysłowym. Dotychczas efektywna pasywacja ograniczała się głównie do płaskich struktur, co utrudniało wdrożenie technologii tandemowej do masowej produkcji.
Jak zbudowano rekordowe ogniwo krzemowo-perowskitowe?
Naukowcy z Niemiec i Arabii Saudyjskiej odkryli, że pasywacja w przypadku perowskitu ma szczególne znaczenie: oddziałuje nie tylko na powierzchnię, lecz także na całą warstwę absorbera, poprawiając przewodnictwo i współczynnik wypełnienia. To fundamentalna różnica wobec krzemu, gdzie pasywacja działa jedynie przy powierzchni.
Dolna część ogniwa została wykonana z 250-mikrometrowego wafla krzemowego typu float-zone, pokrytego przemysłową teksturyzacją z piramidami o rozmiarze 1–4 μm. Na tę strukturę naniesiono warstwy pasywacyjne amorficznego krzemu metodą PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), wykorzystywaną do osadzania cienkich warstw z fazy gazowej z wykorzystaniem plazmy, która umożliwia prowadzenie procesu w niższych temperaturach niż klasyczne CVD. Dzięki temu poprawia się jakość powierzchni krzemowej i zmniejszają straty rekombinacyjne nośników ładunku. PECVD pozwala także precyzyjnie kontrolować grubość i skład osadzanych filmów, co jest kluczowe dla optymalizacji działania tandemowych struktur.
Z kolei górna warstwa perowskitowa zawierała absorber podwójno-halogenkowy, warstwę transportu dziur Me-4PACz oraz pasywację PDAI. Kluczowe znaczenie miało zastosowanie dodatkowego zabiegu powierzchniowego z użyciem 1,3-diaminopropane dihydroiodide, co umożliwiło skuteczną pasywację nawet na nierównej powierzchni.
Pasywacja zmniejszy degradację perowskitów
Podczas testów w standardowych warunkach oświetleniowych tandemowe ogniwo fotowoltaiczne z krzemu i perowskitu osiągnęło 33,1% sprawności konwersji energii oraz napięcie obwodu otwartego (Voc) na poziomie 2,01 V. Co więcej, potwierdzono „wydłużoną” stabilność ogniwa podczas testów zewnętrznych przeprowadzonych w lokalizacji nad Morzem Czerwonym.
„Pasywacja powierzchni ogniw słonecznych nie jest tylko miłym dodatkiem; jest niezbędnym czynnikiem zwiększającym ich wydajność i stabilność” – podkreślił w wypowiedzi dla PV Magazine prof. Stefan Glunz z Uniwersytetu we Freiburgu i dyrektor działu fotowoltaiki w Fraunhofer ISE. Prof. Stefan De Wolf z KAUST dodał, że odkrycie mechanizmu głębokiego oddziaływania pasywacji na perowskit stanowi solidną podstawę dla dalszych badań i lepszego rozumienia procesów konwersji światła w tego rodzaju ogniwach.
Wyniki badań grup naukowców zostały opisane w artykule w „Science” zatytułowanym „Electron accumulation across the perovskite layer enhances tandem solar cells with textured silicon”.
Chińczycy szykują się do produkcji
Nad zastosowaniem perowskitów w celu poprawienia sprawności tradycyjnych paneli fotowoltaicznych wykonanych z ogniw krzemowych pracują potentaci z przemysłu PV. Przykładem jest chiński producent ogniw i modułów LONGi, który kilka miesięcy temu ogłosił, że jego tandemowe ogniwo krzemowo-perowskitowe osiągnęło 34,85% sprawności, co potwierdziło amerykańskie laboratorium NREL. W ten sposób LONGi ustanowił nowy światowy rekord dla ogniw tego typu.
Z kolei wcześniej w tym miesiącu o wysokim wyniku sprawności ogniwa wykonanego z krzemu i perowskitu informował inny chiński producent Huasun. Sprawność na poziomie 34,02% osiągnięta została jednak na razie na małej próbce ogniwa o powierzchni wynoszącej zaledwie 1 cm2. Na poziomie produkcyjnym Huasun poinformował o uzyskaniu sprawności 29,01% w ogniwach dużego rozmiaru (o długości boku 210 mm).
Są to wyniki znacznie przewyższające wcześniejsze osiągnięcia, który pokazują, że prace nad ogniwami tandemowymi wykonanymi z krzemu i perowskitu przyspieszają, a możliwość zastosowania ich w komercyjnej fotowoltaice jest coraz bardziej brana pod uwagę przez liderów przemysłu PV.
Radosław Błoński
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.
