Заметное достижение в области фотоэлектрических технологий было заявлено группой исследователей под руководством Нанкинского университета и в сотрудничестве с производителем солнечных элементов Renshine Solar, поскольку они создали перовскитный солнечный модуль площадью 810 см² и эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество 24,0%. Этот результат подтвержден TÜV SÜD и является мировым рекордом по созданию перовскитовых модулей площадью более 800 см². Результаты были опубликованы в журнале «Nature».
За пределами лаборатории: проблема масштаба
Солнечные элементы на основе перовскита уже давно поражают исследователей своим быстрым ростом эффективности-с 3,8 % в 2009 году до более 25 % в лабораторных-устройствах сегодня. Но путь от крошечной лабораторной ячейки к коммерчески жизнеспособному большому модулю был полон препятствий. По мере масштабирования устройств дефекты увеличиваются, покрытия становятся неровными, а эффективность резко падает. Этот «масштабный разрыв» был самым большим препятствием на пути коммерциализации перовскита.
Команда Нанкинского университета наконец-то успешно преодолела это расстояние. Их модуль площадью 810 см²; аналогичный обычному листу бумаги, показал рекордную эффективность 24,2% для модуля, протестированного в лабораторных условиях, тогда как независимая сертификация подтвердила эффективность 24,0%. Модуль также показал напряжение разомкнутой-цепи 53,46 В, ток короткого-замыкания 0,436 А и коэффициент заполнения 83,40 %. Пока работает отслеживание точки максимальной мощности, мощность модуля стабильно находится на уровне 19,4 Вт.
Еще более впечатляюще то, что команда изготовила 150 модулей общей площадью 0,72 м².-настоящий продукт метрового-масштаба-достигнув средней выходной мощности 144 Вт. Чемпион среди них достиг сертифицированного КПД 22,0 % и выходной мощности 158,4 Вт, установив рекорд эффективности в метровом-масштабе.
Технический прорыв: переосмысление пассивации поверхности
Что сделало возможным это достижение? Ответ заключается в умном переосмыслении пассивации поверхности-процесса устранения дефектов на границе перовскитного слоя, которые захватывают носители заряда и ускоряют рекомбинацию, снижая напряжение и ток, которые устройство может извлечь из солнечного света.
Обычная пассивация основана на галогенидах аммония (АГП), которые хорошо работают в лаборатории, но становятся проблематичными в масштабах. В сочетании с покрытием-матрицей-методом непрерывного осаждения, используемым при производстве на больших-площадях-МАИ имеет тенденцию распределяться неравномерно, в результате чего некоторые области подвергаются чрезмерной-обработке, а другие недостаточно-пассивируются. Они также чувствительны к влаге, что обычно вынуждает производителей обрабатывать модули измерительной-шкалы в инертной атмосфере, что усложняет оборудование и увеличивает его стоимость.
Китайская команда применила принципиально иной подход. Вместо того, чтобы полагаться на пассиватор для компенсации неблагоприятных свойств поверхности, они разработали химический состав поверхности перовскитной пленки.допассивируя его. Используя систему растворителей с высоким давлением насыщенного пара, они контролировали кристаллизацию пленки, создавая поверхность, естественным образом обогащенную йодидом формамидиния (FAI). Затем они обработали эту адаптированную поверхность диолеатом свинца-химически стабильным карбоксилатом свинца (LCP)- вместо обычных галогенидов аммония.
Результаты были революционными. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия доказала наличие химических связей между LCP и поверхностью, богатой FAI-, а фотолюминесцентный анализ показал, что время жизни носителей увеличилось с 264 наносекунд до 706 наносекунд, а это означает, что захват носителей значительно уменьшился и качество пассивации значительно улучшилось. В отличие от пленок, обработанных АГП, которые имели неравномерное осаждение и дефекты в макромасштабе, обработка LCP привела к образованию сплошных гидрофобных пленок, характеризующихся повышенной устойчивостью к влаге, теплу и УФ-излучению.
Долговечность: недостающая часть головоломки
Эффективность – это только половина дела. Чтобы любая фотоэлектрическая технология имела коммерческий успех, она должна выдерживать десятилетия реальной-погоды в мире. Здесь подход LCP дал столь же поразительные результаты.
В ходе стандартных испытаний Международной электротехнической комиссии (IEC) модули, обработанные LCP-, показали замечательную устойчивость. После 1300 часов воздействия влажного-тепла модули LCP потеряли всего 2 % от своей первоначальной эффективности-по сравнению с 39 % у модулей, обработанных AHP-. После 300 термических циклов деградация была незначительной. После 2200 часов отслеживания максимальной мощности модули сохранили 96% своей первоначальной эффективности. Они также сохранили 95% первоначальных характеристик после УФ-старения. Все модифицированные модули LCP-прошли полный набор испытаний на надежность IEC 61215-международный стандарт, используемый для оценки долговечности наземных фотоэлектрических модулей. Полевой мониторинг показал, что их удельная энергоемкость превышает удельную энергоемкость кремниевых модулей TOPCon.
Почему это важно для солнечной промышленности
Этот прорыв имеет глубокие последствия для мировой солнечной индустрии.
Во-первых, он демонстрирует, что перовскитные фотоэлектрические элементы можно производить с использованием обработки окружающего-воздуха, а не в строго контролируемой инертной среде. Это устраняет главный ценовой барьер для промышленного-производства.
Во-вторых, этот подход направлен на компромисс между пассивацией-и-проводимостью-, который долгое время ограничивал преимущества чистых слоев обработки,-блокирующих дефекты. Подавляя электронные дефекты и улучшая транспортировку несущих через интерфейс, стратегия LCP достигает того, что многие считали невозможным: повышение производительности в большем масштабе.
В-третьих, и это, пожалуй, самое главное, успех команды в метровом-масштабе-с 150 произведенными и протестированными модулями-доказывает, что эту технологию можно перенести из исследовательских ячеек в производственные-соответствующие архитектуры. Как отметили исследователи, их результаты демонстрируют производственную стратегию, которая сочетает в себе специально разработанный химический состав поверхности со стабильным, -совместимым с окружающей средой пассиватором-. Этот подход может помочь сократить разрыв между высокооптимизированными лабораторными перовскитными элементами и модулями, изготовленными путем непрерывного нанесения покрытия в промышленном-масштабе.
Дорога вперед
Контрольный показатель эффективности 24 % для перовскитовых модулей большой-площади — это не конечная точка,-это промежуточная точка. Отраслевые обозреватели отмечают, что при дальнейшем совершенствовании вполне достижимы коммерческие модули площадью 2–3 м², достигающие эффективности 26%. Между тем, тандемные перовскитные-кремниевые и все-перовскитные тандемные архитектуры продолжают раздвигать границы: эффективность некоторых конфигураций уже превышает 26 % в меньших масштабах.
Коллаборация-Renshine Solar из Нанкинского университета доказала, что фотогальваника на основе перовскита больше не является просто лабораторной диковинкой. Они становятся технологичной, долговечной и все более эффективной реальностью. В то время как мир стремится обезуглероживать свои энергетические системы, этот прорыв служит мощным напоминанием о том, что следующее поколение солнечных технологий не за горами десятилетия-оно создается прямо сейчас, по одному рекорду за раз.
