Rewolucyjna powłoka organicznych ogniw słonecznych zwiększa wydajność i obniża koszty

Modyfikacja powierzchni w celu uzyskania bardziej efektywnych tandemowych ogniw słonecznych z teksturowanym perowskitem/krzemem.

Nowa generacja paneli słonecznych może pojawić się dzięki zastosowaniu specjalnej powłoki cząsteczek organicznych na ogniwach słonecznych. Według zespołu badawczego opublikowanego w czasopiśmie Angewandte Chemiepowłoka ta zwiększa wydajność monolitycznych ogniw tandemowych wykonanych z krzemu i perowskitu, jednocześnie obniżając ich koszt, ponieważ są one wytwarzane z przemysłowych, standardowych płytek krzemowych o mikrostrukturze.

W ogniwach słonecznych światło „wybija” elektrony z półprzewodnika, pozostawiając dodatnio naładowane „dziury”. Te dwa nośniki ładunku są oddzielone od siebie i mogą być gromadzone jako prąd. Ogniwa tandemowe zostały opracowane w celu lepszego wykorzystania całego spektrum światła słonecznego i zwiększenia wydajności ogniw słonecznych.

Ogniwa tandemowe składają się z dwóch różnych półprzewodniki absorbujące światło o różnej długości fali. Głównymi kandydatami do zastosowania w tej technologii są połączenie krzemu, który pochłania głównie światło czerwone i bliską podczerwień, oraz perowskitu, który bardzo efektywnie wykorzystuje światło widzialne. Monolityczne ogniwa tandemowe powstają poprzez powlekanie podłoża dwoma rodzajami półprzewodników, jeden na drugim. W przypadku układu perowskit/krzem osiąga się to zwykle poprzez zastosowanie płytek krzemowych wytwarzanych w procesie topienia strefowego i mających polerowaną lub nanostrukturalną powierzchnię. Są one jednak bardzo drogie.

Znacznie tańsze są płytki krzemowe produkowane metodą Czochralskiego, na których powierzchni znajdują się piramidalne elementy strukturalne w skali mikrometrowej. Te mikrotekstury zapewniają lepsze wychwytywanie światła, ponieważ są mniej odblaskowe niż gładka powierzchnia. Jednakże proces powlekania tych płytek perowskitem powoduje powstanie wielu defektów w sieci krystalicznej, które wpływają na właściwości elektroniczne. Przenoszenie uwolnionych elektronów jest utrudnione, a rekombinacja elektron-dziura coraz częściej zachodzi w procesach, które nie emitują światła. Zmniejsza się zarówno wydajność, jak i stabilność warstwy perowskitu.

Przełom w pasywacji powierzchni

Kierowany przez prof. Kai Yao, chiński zespół z Uniwersytetu Nanchang, Suzhou Maxwell Technologies, Instytutu Badań nad Towarami Rurowymi CNPC (Shaanxi), Politechniki w Hongkongu, Politechniki w Wuhan i Uniwersytetu Fudan (Szanghaj) opracował obecnie strategia pasywacji powierzchni, która pozwala na wygładzenie defektów powierzchniowych warstwy perowskitu. Związek tiofenetyloamoniowy z grupą trifluorometylową (CF3-TEA) nanosi się w procesie dynamicznego powlekania natryskowego. Tworzy to bardzo jednolitą powłokę – nawet na powierzchniach z mikroteksturą.

Dzięki dużej polarności i energii wiązania powłoka CF3-TEA bardzo skutecznie osłabia skutki defektów powierzchniowych. Rekombinacja niepromienista jest tłumiona, a poziomy elektronowe są dostosowywane tak, aby elektrony na granicy faz mogły być łatwiej przeniesione do warstwy ogniwa słonecznego wychwytującej elektrony. Modyfikacja powierzchni za pomocą CF3-TEA pozwala na tandemowe ogniwa słoneczne perowskitowo-krzemowe oparte na zwykłych teksturowanych płytkach wykonanych z krzemu Czochralskiego na osiągnięcie bardzo wysokiej sprawności na poziomie prawie 31% i utrzymanie długoterminowej stabilności.

Odniesienie: „Powierzchniowa inżynieria molekularna dla w pełni teksturowanych perowskitowo-krzemowych ogniw słonecznych typu tandem” autorstwa Jun Chen, Shaofei Yang, Long Jiang, Ke Fan, Zhiliang Liu, Wentao Liu, Wei Li, Haitao Huang, Hong Zhang i Kai Yao, 11 czerwca 2024 r. , Wydanie międzynarodowe Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002/anie.202407151

Badanie zostało sfinansowane przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych i Fundację Nauk Przyrodniczych prowincji Jiangxi.