Китайски учени разработиха тандемна слънчева клетка от перовскит и медно-индиево-галиев селенид (CIGS), която постига коефициент на полезно действие от 29,71%. Постижението се дължи на нов подход за стабилизиране на широкозоновите перовскити – една от най-сериозните пречки пред тяхното масово внедряване. Разработката е важна, защото комбинира много висока ефективност с дългосрочна стабилност, което е ключово изискване за бъдещите високопроизводителни фотоволтаици.
Изследователи от Китайската академия на науките (CAS) създадоха четиритерминална (4T) тандемна слънчева клетка, която комбинира перовскитен горен слой с долна клетка на основата на CIGS – сплав от мед, индий, галий и селен.
Основното предизвикателство при широкозоновите перовскити е тяхната нестабилност. При продължителна работа в материала се образуват дефекти, халогенните йони мигрират, а под въздействието на светлината настъпва фазово разделяне, което постепенно намалява ефективността на клетките.
За да ограничат тези процеси, учените използват органично сернисто съединение – бис(2-пиридилметил) сулфат (2PyS). То променя локалната координационна среда около оловните йони в перовскитния слой още по време на образуването на материала. Така се намалява броят на структурните дефекти, потиска се миграцията на халогенните йони и се подобрява устойчивостта на перовскита.
Според авторите, именно дефектите около недокоординираните оловни атоми и свързаните с тях свободни позиции на халогените са основната причина за деградацията на широкозоновите перовскити. Стандартните методи за последваща пасивация могат да ограничат част от тези дефекти, но не предотвратяват тяхното възникване по време на кристализацията.
Конструкция на тандемната клетка
Горната клетка използва прозрачни електроди от индиево-калаен оксид (ITO), слой никелов оксид (NiOx) за транспорт на дупки, самосглобяващ се междинен слой (SAM), перовскитен абсорбер, електронно-транспортен слой от фулерен C60, буферен слой от калаен оксид (SnO₂) и сребърен контакт.
Долната CIGS клетка включва молибденов заден електрод, CIGS абсорбиращ слой, буферен слой от кадмиев сулфид (CdS) и прозоречни слоеве от цинков оксид, включително алуминиево-легиран ZnO, които осигуряват електронен транспорт и прозрачен преден контакт.
Почти 30% ефективност
Самостоятелната CIGS клетка достига ефективност от 19,65% при стандартно осветяване. Когато работи под полупрозрачната перовскитна клетка, до нея достига по-малко светлина и ефективността ѝ намалява до 7,5%.
Горната перовскитна клетка демонстрира ефективност от 22,21%. В четиритерминална тандемна конфигурация общата ефективност на системата достига 29,71%.
Също толкова впечатляваща е и стабилността. След 2000 часа непрекъсната работа устройствата запазват над 91% от първоначалната си ефективност.
Защо 2PyS е толкова важен
Изследователите установяват, че съединението 2PyS взаимодейства с оловния йодид значително по-силно от широко използваните разтворители като диметилформамид (DMF) и диметилсулфоксид (DMSO). Това позволява по-прецизен контрол върху кристализацията на перовскитния слой още в процеса на неговото формиране.
Измерванията чрез фотолуминесценция в реално време показват, че новият подход забавя прекалено бързото образуване на кристали и води до по-хомогенен перовскитен филм. Резултатът е по-малко загуби от нерентгеново рекомбиниране на зарядите, по-здрава кристална структура и по-висока устойчивост при едновременно въздействие на светлина и повишена температура.
Сред най-добрите резултати досега
Според изследователския екип, постигнатата ефективност от 29,71% е сред най-високите, докладвани досега за четиритерминални перовскитно-CIGS тандемни слънчеви клетки.
Ако подобни технологии запазят високата си производителност и при индустриално производство, те могат да ускорят навлизането на следващото поколение високоефективни фотоволтаични панели.
