Een opmerkelijke ontwikkeling op het gebied van fotovoltaïsche technologie is geclaimd door een team van onderzoekers onder leiding van de Nanjing Universiteit, en in samenwerking met de zonnecelproducent Renshine Solar, aangezien ze een perovskiet-zonnepaneel hebben gemaakt met een oppervlakte van 810 cm² en een efficiëntie van het omzetten van de zonne-energie in elektriciteit van 24,0%. Dit resultaat is geverifieerd door TÜV SÜD en is een wereldrecord in het creëren van perovskietenmodules met een oppervlakte van meer dan 800 cm². De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift 'Nature'.
Voorbij het laboratorium: de schaaluitdaging
Perovskiet-zonnecellen hebben onderzoekers lange tijd verblind met hun snelle efficiëntiewinsten-van slechts 3,8% in 2009 tot meer dan 25% bij apparaten op laboratoriumschaal- vandaag de dag. Maar de weg van een kleine laboratoriumcel naar een commercieel levensvatbare grote module is beladen met obstakels. Naarmate apparaten groter worden, nemen de defecten toe, worden coatings ongelijkmatig en daalt de efficiëntie. Deze ‘schaalkloof’ is de grootste barrière geweest voor de commercialisering van perovskiet.
Het team van de Nanjing Universiteit heeft deze afstand eindelijk met succes afgelegd. Hun module van 810 cm²; vergelijkbaar met een gewoon vel papier, heeft een recordefficiëntie van 24,2% opgeleverd voor de module die onder laboratoriumomstandigheden is getest, terwijl de onafhankelijke certificering een efficiëntie van 24,0% bevestigde. De module vertoont ook een open-spanning van 53,46 V, een kortsluit-stroom van 0,436 A en een vulfactor van 83,40%. Terwijl de maximale power point-tracking werkt, is de output van de module stabiel op het niveau van 19,4 W.
Nog indrukwekkender was dat het team 150 modules vervaardigde met een totale oppervlakte van 0,72 m²-een product op ware meter-schaal-met een gemiddeld vermogen van 144 W. De kampioen onder hen bereikte een gecertificeerd rendement van 22,0% en een vermogen van 158,4 W, waarmee hij een efficiëntierecord op meterschaal- vestigde.
De technische doorbraak: een heroverweging van oppervlaktepassivering
Wat maakte deze prestatie mogelijk? Het antwoord ligt in een slimme heroverweging van oppervlaktepassivering-het proces van het behandelen van defecten aan de grens van de perovskietlaag die ladingsdragers vasthouden en recombinatie versnellen, waardoor de spanning en stroom die een apparaat uit zonlicht kan halen, wordt verlaagd.
Conventionele passivatie is afhankelijk van ammoniumhalogeniden (AHP's), die goed werken in het laboratorium, maar op grote schaal problematisch worden. In combinatie met spleet-matrijscoating-de continue depositiemethode die wordt gebruikt voor de productie van grote- productiegebieden- hebben AHP's de neiging zich ongelijkmatig te verdelen, waardoor sommige regio's over-worden behandeld en andere onder- worden gepassiveerd. Ze zijn ook gevoelig voor vocht, waardoor fabrikanten doorgaans gedwongen worden modules op meterschaal- te verwerken in een inerte atmosfeer, waardoor de apparatuur complexer en duurder wordt.
Het Chinese team hanteerde een fundamenteel andere aanpak. In plaats van te vertrouwen op de passivator om een ongunstig oppervlak te compenseren, ontwikkelden ze de oppervlaktechemie van de perovskietfilmvoorhet passief maken ervan. Met behulp van een oplosmiddelsysteem met hoge verzadigingsdampdruk controleerden ze de kristallisatie van de film om een oppervlak te produceren dat van nature verrijkt was met formamidiniumjodide (FAI). Vervolgens behandelden ze dat op maat gemaakte oppervlak met looddioleaat-een chemisch stabiel loodcarboxylaat (LCP)-in plaats van conventionele ammoniumhalogeniden.
De bevindingen waren revolutionair. Röntgenfoto-elektronenspectroscopie bewees de aanwezigheid van chemische bindingen tussen het LCP en het FAI-rijke oppervlak, terwijl fotoluminescentieanalyse aantoonde dat de levensduur van de drager toenam van 264 nanoseconden naar 706 nanoseconden, wat betekent dat de dragervangst aanzienlijk afnam en de passivatiekwaliteit aanzienlijk verbeterde. In tegenstelling tot de met AHP behandelde films, die ongelijkmatige afzettingen en defecten op macroschaal vertoonden, resulteerde de LCP-behandeling in continue hydrofobe films die werden gekenmerkt door een verbeterde weerstand tegen vocht, hitte en UV-straling.
Duurzaamheid: het ontbrekende stukje van de puzzel
Efficiëntie is slechts de helft van het verhaal. Wil elke fotovoltaïsche technologie commercieel slagen, dan moet deze tientallen jaren van echt- weer in de wereld doorstaan. Hier leverde de LCP-aanpak even opvallende resultaten op.
In standaardtests van de International Electrotechnical Commission (IEC) vertoonden met LCP-behandelde modules opmerkelijke veerkracht. Na 1300 uur blootstelling aan vochtige- hitte verloren LCP-modules slechts 2% van hun initiële efficiëntie-vergeleken met 39% voor met AHP-behandelde modules. Na 300 thermische cycli was de degradatie verwaarloosbaar. Na 2.200 uur maximale powerpoint-tracking behielden de modules 96% van hun oorspronkelijke efficiëntie. Ze behielden ook 95% van de initiële prestaties na UV-veroudering. Alle LCP-gemodificeerde modules hebben de volledige betrouwbaarheidstestreeks IEC 61215 doorstaan-de internationale norm die wordt gebruikt om de duurzaamheid van terrestrische fotovoltaïsche modules te kwalificeren. Uit veldmonitoring bleek dat hun specifieke energieopbrengst groter was dan die van silicium TOPCon-modules.
Waarom dit belangrijk is voor de zonne-energie-industrie
Deze doorbraak heeft diepgaande gevolgen voor de mondiale zonne-energiesector.
Ten eerste toont het aan dat perovskiet-fotovoltaïsche zonne-energie kan worden vervaardigd met behulp van omgevings-luchtverwerking in plaats van dat er strikt gecontroleerde inerte omgevingen nodig zijn. Hierdoor wordt een grote kostenbarrière voor productie op industriële- schaal weggenomen.
Ten tweede richt de aanpak zich op de passivering- versus-geleidbaarheidsruil-die lange tijd het voordeel van zuiver defect-blokkerende behandelingslagen heeft beperkt. Door zowel elektronische defecten te onderdrukken als het transport van vervoerders over de interface te verbeteren, bereikt de LCP-strategie wat velen voor onmogelijk hielden: betere prestaties op grotere schaal.
Ten derde, en misschien wel het belangrijkste, bewijst het succes van het team op meter-schaal- met 150 geproduceerde en geteste modules- dat de technologie vanuit onderzoekscellen kan worden vertaald naar productie-relevante architecturen. Zoals de onderzoekers opmerkten, demonstreren hun resultaten een productiestrategie die opzettelijk ontworpen oppervlaktechemie combineert met een stabiele, omgevings--compatibele passivator-een aanpak die zou kunnen helpen de kloof te dichten tussen sterk geoptimaliseerde perovskietcellen in laboratoria en modules gemaakt door continue coating op industriële- schaal.
De weg vooruit
De efficiëntiemijlpaal van 24% voor perovskietmodules met een groot-gebied is geen eindpunt-het is een waypoint. Waarnemers uit de sector merken op dat met voortdurende verfijning commerciële modules van 2 à 3 m² met een efficiëntie van 26% binnen bereik liggen. Ondertussen blijven tandem-perovskiet-silicium en alle-perovskiet-tandem-architecturen grenzen verleggen, waarbij sommige configuraties op kleinere schaal al een efficiëntie van meer dan 26% bereiken.
Wat de Nanjing University-Renshine Solar-samenwerking heeft bewezen, is dat perovskiet-fotovoltaïsche zonne-energie niet langer slechts een laboratoriumnieuwsgierigheid is. Ze worden een maakbare, duurzame en steeds efficiëntere realiteit. Terwijl de wereld zich haast om haar energiesystemen koolstofvrij te maken, herinnert deze doorbraak ons er op krachtige wijze aan dat de volgende generatie zonnetechnologie niet nog tientallen jaren op zich laat wachten- maar dat deze nu wordt gebouwd, record voor record.
