Группа исследователей под руководством профессора Аниты Хо-Бейли, заведующей кафедрой нанонауки имени Джона Гука в Сиднейском университете в Австралии, установила новый рекорд солнечной технологии, создав самый большой в мире кремниевый тандемный солнечный элемент с тройным -перовскитом-перовскитом-кремниевым тандемом.
Их 16-см2Ячейка с тройным-переходом имеет КПД преобразования энергии в установившемся-состоянии 23,3 % (независимая сертификация), что является самым высоким показателем среди устройств такого типа с большой-площадью. Ее команда также создала 1-см2элемент с КПД 27,06%, установивший новые стандарты термостабильности (см. видео).
Стремление к повышению эффективности обусловлено «большим запасом эффективности преобразования энергии,-поскольку теоретический предел эффективности для тройного перехода составляет ~51 %, а для двойного перехода — около 45 %», — говорит Хо-Бэйли, который также является сотрудником Института Net Zero при Сиднейском университете. «Один переход составляет 33%, если запрещенная зона солнечного элемента не ограничена, но только 30% для кремния».
Многопереходные тандемные солнечные элементы включают в себя установку солнечных элементов с разной запрещенной зоной,-наибольшая из которых находится на стороне,-обращённой к Солнцу-, что позволяет каждому элементу более эффективно преобразовывать участки солнечного спектра в электрическую энергию и минимизировать суб-запрещённую зону и потери на термализацию.
«Например, в ячейке с двумя-переходами верхний широкозонный переход преобразует более высокую энергию фотонов в электрическую энергию и делает это более эффективно, чем переход с более узкой запрещенной зоной,-что снижает потери при термализации», — объясняет Хо-Бейли. «Фотон с меньшей-энергией проходит через верхний широкозонный переход-и поглощается нижним переходом с более узкой запрещенной зоной для преобразования электрической энергии. Если бы нижнего перехода там не было, такие фотоны с более низкой-энергией приводили бы к потерям из-за непоглощения суб-зонной зоны».
Оптические конструкции
Чтобы проиллюстрировать задействованные оптические конструкции, два верхних перовскитных перехода команды электрически соединены между собой посредством наночастиц золота. «Мы использовали оптическое моделирование, чтобы смоделировать влияние покрытия наночастицами на оптические потери, и электрическое моделирование, чтобы смоделировать омический контакт, создаваемый наночастицей», — объясняет Хо-Бэйли. «Баланс достигается, когда присутствует достаточное количество наночастиц для минимальных оптических потерь без ущерба для электрических характеристик».
Команда Хо-Бейли также улучшила стабильность и характеристики широкозонного (1,91-эВ) перовскитного перехода, «заменив рубидий менее стабильным метиламмонием в перовските и заменив дихлорид пиперазиния (PDCI) на менее стабильный фторид лития в качестве поверхностного пассивирующего слоя», — говорит она.
Хо-Настойчивость Бэйли в стремлении визуализировать ультратонкое золото действительно принесла свои плоды. «Чтобы кластеры сформировались и превратились в полунепрерывную пленку, должно быть критическое количество золота», — говорит она. «Больше золота позволит вырасти непрерывной пленке. Ниже критического количества «кластера» золото будет в форме наночастиц. Что делает наши результаты интересными, так это то, что пленки, -сплошные или несплошные-, не нужны для соединения двух переходов. Наночастиц, хотя и изолированных, достаточно для омического контакта между переходами для вертикального транспорта носителей заряда-при минимизации оптических потерь".
Что означает этот рекорд эффективности для отрасли? «Наша демонстрация дает представление о важных свойствах материалов для будущего повышения эффективности», — говорит Хо-Бейли. «Анализ потерь также дает рекомендации по будущему повышению эффективности-как для устройств небольшой-, так и для устройств большой-площади. Далее: тройное соединение 30 %, приближающееся к 40 %».
В работе группы участвовали партнеры из Китая, Германии и Словении, а поддержка получила Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии и Австралийский исследовательский совет.
