در یک پیشرفت قابل توجه برای فناوری فتوولتائیک، محققان هلمهولتز-Zentrum برلین (HZB) و Humboldt-دانشگاه آلمان به رکورد جهانی جدید راندمان تبدیل انرژی ۲۵.۵ درصدی برای سلول خورشیدی پشت سر هم پروسکایت-CIGS دست یافتند. این نقطه عطف، تایید شده توسط نصب تست خورشیدی اروپا (ESTI)، نشان دهنده بالاترین بازدهی است که تاکنون برای این ترکیب مواد خاص ثبت شده است و یک گام بزرگ رو به جلو در توسعه فناوریهای خورشیدی نازک-فیلم است.
معماری پشت سر هم
این دستگاه به دلیل طراحی با استفاده از سلول بالایی (پروسکایت) و سلول پایینی (CIGS) که با هم آنچه را که به عنوان "ساختار پشت سر هم یکپارچه" شناخته می شود، می سازند، قادر به دستیابی به یک رکورد جهانی در کارایی است. بنابراین، هر بخش از سلول انرژی خورشیدی را در طول موجهای مختلف در طیف خورشیدی جذب و تبدیل میکند-یعنی سلول بالایی نور انرژی بالا (فرابنفش) را جذب میکند. در حالی که سلول پایینی نور کم انرژی (مادون قرمز) را جذب می کند. در نتیجه این ساختار، قسمت بالای سلول بالایی و سمت پایین سلول پایینی، بخش های مختلف طیف خورشیدی را با راندمان بالاتری نسبت به هر دستگاهی که به تنهایی به دست می آورد جذب می کند. بنابراین هنگامی که این دو دستگاه در یک آرایش پشت سر هم با هم کار می کنند، کارایی کل را افزایش می دهد.
نوآوری های فنی در پشت موفقیت
برای دستیابی به این رکورد، محققان HZB و Humboldt{0}}دانشگاه به طور سیستماتیک چندین جنبه از معماری دستگاه را بهینه کردند. آنها سلولهای پایینی مبتنی بر CIGS را با شکافهای باند 1.05 ولت و 1.1 ولت، در کنار دو ضخامت متفاوت از لایههای اکسید روی آلومینیمی-با دقت تنظیم شده بررسی کردند. این مهندسی دقیق bandgap به آنها اجازه داد تا با نسل فعلی بین زیرسلولهای بالا و پایین تطبیق بهتری داشته باشند-که عاملی حیاتی در عملکرد دستگاه پشت سر هم است.
این تیم همچنین غربالگری گسترده ای از مواد لایه حمل و نقل سوراخ انجام داد و ترکیبات مختلفی از اکسید نیکل (NiOx) و تک لایه های خود مونتاژ شده (SAM) را آزمایش کرد. این لایههای رابط نقش مهمی در استخراج حاملهای بار تولید شده با نور دارند و در عین حال تلفات نوترکیبی را سرکوب میکنند-یک مکانیسم محدودکننده کارایی اولیه{3}}در سلولهای خورشیدی. با شناسایی تنظیمات رابط بهینه، محققان توانستند به طور همزمان گزینش شارژ را بهبود بخشند و تلفات انرژی در کنتاکت ها را به حداقل برسانند.
شاید مهمتر از همه، این تیم تشکیل تماس انتخابی الکترون را با کنترل دقیق نرخ تبخیر حرارتی اولیه باکمینسترفولرن (C60) که بر روی یک لایه غیرفعالسازی فوق نازک 1 نانومتری فلوراید لیتیوم (LiF) قرار گرفته است، اصلاح کردند. این رویکرد پیچیده آنچه را که آنها به عنوان "تشکیل رابط کنترل شده تر و تراز الکترونیکی بهبود یافته" توصیف کردند، فعال کرد و نشان داد که مهندسی لایه های تماس در مقیاس نانو می تواند دستاوردهای عملکردی قابل توجهی داشته باشد.
از سلول آزمایشگاهی تا ماژول عملی
در حالی که کارایی رکورد بر روی یک دستگاه کوچک-1.081 سانتیمتر مربعی به دست آمد، محققان نشان دادند که بهینهسازیهای آنها میتواند به قالبهای بزرگتر ترجمه شود. آنها با استفاده از یک دسته مشابه از مواد، یک مینی-ماژول با مساحت 2.25 سانتی متر مربع ساختند که بازدهی تقریباً 19.7٪ را به دست آورد. اگرچه این نشان دهنده افت قابل توجهی از کارایی سلول کوچک است، اما شواهد دلگرم کننده ای را ارائه می دهد که نشان می دهد رابط اصلی و استراتژی های تماس می توانند فراتر از تنظیمات آزمایشگاهی مقیاس شوند.
یک سنگ پله، نه مقصد نهایی
شاید هیجانانگیزترین جنبه این اطلاعیه چیزی باشد که در مورد پتانسیل آینده نشان میدهد. گیلرمو فاریاس بسولتو، محقق HZB، خاطرنشان کرد که "فیزیکی که در ساختار سلولی فعلی ما وجود دارد نشان می دهد که 25.5٪ تنها یک نقطه عطف اولیه است". آزمایشهای خانگی طرحهای مشابه قبلاً به بازدهی 27.5 درصدی دست یافته است که نشان میدهد مفهوم اساسی دستگاه هنوز پتانسیل قابلتوجهی دارد که استفاده نشده است.
این تحقیق به عنوان بخشی از پروژه "SOLMATES"، یک ابتکار{0}}با بودجه اتحادیه اروپا به رهبری HZB برای بررسی ادغام فناوریهای CIGS و پروسکایت انجام شد. رکورد قبلی HZB تحت این برنامه 24.6 درصد بود که جهش به 25.5 درصد را به یک قدم معنادار، البته افزایشی، به جلو تبدیل کرد.
پیامدها برای صنعت خورشیدی
این دستاورد برای صنعت سلول های خورشیدی معنی مهمی دارد. یک سلول نازک{1}}CIGS نسبت به سلولهای خورشیدی نازک-معمولی دارای مزایای متعددی است، مانند انعطافپذیر بودن، توانایی عملکرد خوب در شرایط نیمه روشن و هزینههای ساخت پایین. با ترکیب مزایای سلولهای CIGS با مزایای سلولهای پروسکایت، سلولهای CIGS این پتانسیل را دارند که برای کاربردهای جدید در الکترونیک انعطافپذیر و BIPV استفاده شوند، جایی که سلولهای سیلیکونی نمیتوانند استفاده شوند.
نتایج مطالعه همچنین نشان میدهد که پروسکایت-CIGS پشت سر هم با سیستمهای پشت سر هم مبتنی بر سیلیکون- قابل رقابت است. آنها علاوه بر اینکه فقط با استفاده از یک لایه نازک ساخته می شوند، می توانند با مواد کمتر از یک میکرومتر نیز تولید شوند. طراحی فوق{4}سبک و انعطافپذیر آنها فرصتهای جدیدی را برای استفاده از آنها بهعنوان راهحلهای{5} یکپارچه ساختمانی یا برنامههای الکترونیکی قابل حمل فراهم میکند.
جاده پیش رو
در حالی که 25.5٪ یک دستاورد قابل توجه است، محدودیت نظری بازده برای پروسکایت-تخت CIGS بیش از 30٪ است. شکاف بین رکورد فعلی و این سقف نظری نشان میدهد که بهبودهای اساسی از طریق بهینهسازی مداوم کیفیت مواد، مهندسی رابط و مدیریت نوری امکانپذیر است. رویکرد سیستماتیک تیم آلمانی-کاوش در باندهای متعدد، ترکیب لایههای انتقال، و استراتژیهای مهندسی تماس{6}}نمونهای روششناختی برای تلاشهای آینده ارائه میکند.
همانطور که صنعت خورشیدی جهانی به گسترش سریع خود ادامه می دهد، نوآوری ها در فناوری سلول های پشت سر هم نقش مهمی را در کاهش هزینه برق خورشیدی ایفا خواهند کرد. دستیابی محققان آلمانی به راندمان 25.5 درصدی برای پروسکایت-پشت سر هم CIGS نه تنها یک رکورد جدید جهانی است، بلکه نمایشی از پتانسیل فوق العاده ای است که در تقاطع این دو سیستم ماده قابل توجه نهفته است. با توجه به نتایج داخلی که قبلاً نشان می دهد 27.5٪ در دسترس است، و با محدودیت نظری هنوز بسیار بالاتر، سفر به سمت راندمان خورشیدی واقعاً متحول کننده هنوز به پایان نرسیده است.
