Tyska forskare satte nytt världsrekord med 25,5 % effektivitet Perovskite-CIGS Tandem Solar Cell

I ett betydande genombrott för solcellsteknik har forskare från tyska Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) och Humboldt-Universität uppnått ett nytt världsrekord effektkonverteringseffektivitet på 25,5 % för en perovskite-CIGS tandemsolcell. Denna milstolpe, certifierad av European Solar Test Installation (ESTI), representerar den högsta effektiviteten som någonsin registrerats för denna specifika materialkombination och markerar ett stort steg framåt i utvecklingen av tunn-filmssolteknik.

Denna enhet kan uppnå ett världsrekord i effektivitet tack vare sin design som använder både en övre cell (perovskite) och en nedre cell (CIGS) som tillsammans utgör vad som kallas en "monolitisk tandemstruktur". Därför absorberar och omvandlar varje del av cellen solenergi vid olika våglängder inom solspektrumet-dvs den översta cellen absorberar högenergi (ultraviolett) ljus; medan bottencellen absorberar lågenergi (infrarött) ljus. Som ett resultat av denna struktur kommer uppsidan av den övre cellen och nedsidan av den nedre cellen att absorbera olika delar av solspektrumet med högre effektivitet än vad endera enheten skulle uppnå själv; skapar således en ökning av total effektivitet när de två enheterna arbetar tillsammans i ett tandemarrangemang.

För att uppnå detta rekord har forskarna från HZB och Humboldt-Universität systematiskt optimerat flera aspekter av enhetsarkitekturen. De utforskade CIGS-baserade bottenceller med noggrant avstämda bandgap på 1,05 eV och 1,1 eV, tillsammans med två olika tjocklekar av aluminium-dopade zinkoxidskikt. Denna noggranna bandgap-teknik gjorde det möjligt för dem att bättre matcha den nuvarande generationen mellan de övre och nedre subcellerna -en kritisk faktor för tandemenheters prestanda.

Teamet genomförde också omfattande screening av material för håltransportlager, testade olika kombinationer av nickeloxid (NiOx) och själv-monolager (SAM). Dessa gränssnittsskikt spelar en avgörande roll för att extrahera fotogenererade laddningsbärare samtidigt som de undertrycker rekombinationsförluster-en primär effektivitet-begränsande mekanism i solceller. Genom att identifiera optimala gränssnittskonfigurationer kunde forskarna samtidigt förbättra laddningsselektiviteten och minimera energiförlusterna vid kontakterna.

Kanske mest anmärkningsvärt är att teamet förfinade den elektronselektiva kontaktbildningen- genom att exakt kontrollera den initiala termiska avdunstningshastigheten för buckminsterfulleren (C60) avsatt på ett ultra-tunt 1 nm litiumfluorid (LiF) passiveringsskikt. Detta sofistikerade tillvägagångssätt möjliggjorde vad de beskrev som en "mer kontrollerad gränssnittsbildning och förbättrad elektronisk inriktning", vilket visar att nanoskala konstruktion av kontaktlager kan ge betydande prestandavinster.

Medan rekordeffektiviteten uppnåddes på en enhet med liten-yta på 1 081 cm², visade forskarna att deras optimeringar kunde översättas till större format. Med hjälp av en liknande hög med material tillverkade de en mini-modul med en yta på 2,25 cm² som uppnådde en effektivitet på cirka 19,7 %. Även om detta representerar en betydande minskning från effektiviteten i små-celler, ger det uppmuntrande bevis på att det underliggande gränssnittet och kontaktstrategierna kan skalas bortom laboratoriemiljön.

Den kanske mest spännande aspekten av detta tillkännagivande är vad det antyder om framtida potential. HZB-forskaren Guillermo Farias Basulto noterade att "fysiken bakom vår nuvarande cellarkitektur indikerar att 25,5% bara är en första milstolpe". Internt-test av liknande design har redan uppnått effektivitetsvinster på upp till 27,5 %, vilket innebär att det grundläggande enhetskonceptet fortfarande har en betydande outnyttjad potential.

Forskningen utfördes som en del av "SOLMATES"-projektet, ett EU-finansierat initiativ ledd av HZB för att utforska integrationen av CIGS- och perovskite-tekniker. HZB:s tidigare rekord under detta program låg på 24,6 %, vilket gjorde uppgången till 25,5 % till ett meningsfullt, om än stegvis, steg framåt.

Denna prestation har en viktig betydelse för solcellsindustrin. En CIGS tunn-filmcell kommer att ha flera fördelar jämfört med konventionella tunn-filmsolceller, som att vara flexibel, kunna prestera bra i delvis upplysta förhållanden och ha låga tillverkningskostnader. Genom att kombinera fördelarna med CIGS-celler med fördelarna med perovskitceller har CIGS-celler potential att användas för nya tillämpningar inom flexibel elektronik och BIPV, där kiselceller inte kan användas.

Studieresultaten indikerar också att perovskite-CIGS-tandemer är konkurrenskraftiga med-kiselbaserade tandemsystem. Förutom att de kan tillverkas med endast en tunn film, kan de också tillverkas med mindre än en mikrometer material. Deras ultra-lätta och flexibla design kommer att ge nya möjligheter för deras användning som att bygga-integrerade lösningar eller bärbara elektroniska applikationer.

Även om 25,5 % är en anmärkningsvärd prestation, överstiger den teoretiska effektivitetsgränsen för perovskite-CIGS-tandemer 30 %. Gapet mellan det aktuella rekordet och detta teoretiska tak tyder på att betydande förbättringar fortfarande är möjliga genom fortsatt optimering av materialkvalitet, gränssnittsteknik och optisk hantering. Det tyska teamets systematiska tillvägagångssätt-att utforska flera bandgap, kombinationer av transportlager och kontaktteknikstrategier-ger en metodologisk plan för framtida ansträngningar.

När den globala solcellsindustrin fortsätter sin snabba expansion kommer innovationer inom tandemcellsteknologi att spela en allt viktigare roll för att driva ner kostnaden för solel. De tyska forskarnas prestation på 25,5 % effektivitet för perovskite-CIGS-tandemer representerar inte bara ett nytt världsrekord, utan en demonstration av den extraordinära potential som ligger i skärningspunkten mellan dessa två anmärkningsvärda materialsystem. Med interna-resultat som redan tyder på att 27,5 % är inom räckhåll, och med den teoretiska gränsen fortfarande mycket högre, är resan mot verkligt transformativ solenergieffektivitet långt ifrån över.