Zespół międzynarodowych naukowców związanych z Instytutem Chemii Chińskiej Akademii Nauk opracował panele słoneczne o wysokiej wydajności nowej generacji, zwane tandemowym ogniwem perowskitowo-organicznym. W przeprowadzonych testach udało się osiągnąć rekordową wydajność konwersji fotoelektrycznej rzędu 26,4 proc., a to jeszcze nie koniec! Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature.
Tandemowe ogniwa perowskitowo-organiczne z rekordową wydajnością, a to jeszcze nie koniec
Tandemowe ogniwo słoneczne perowskitowo-organiczne to zaawansowana konstrukcja łącząca materiały perowskitowe i organiczne w dwóch warstwach, aby zwiększyć efektywność pochłaniania światła. Warstwa perowskitu jest szczególnie wydajna w absorpcji światła w widzialnym zakresie, a warstwa organiczna może skutecznie pochłaniać światło w bliskiej podczerwieni. Połączenie tych dwóch materiałów w jednej strukturze umożliwia bardziej efektywną konwersję energii słonecznej, przekraczającą możliwości standardowych paneli.
Czytaj też:Chińczycy z kolejnym rekordem! Takie ogniwa słoneczne to prawdziwy skarb
Ogniwa słoneczne perowskitowe i organiczne, określane jako następna generacja technologii słonecznej, zapewniają liczne korzyści, takie jak łatwiejsze przygotowanie, lekka konstrukcja, a także potencjał elastycznej produkcji urządzeń. Te cechy oferują znaczny potencjał zastosowań w przenośnej energii, fotowoltaice zintegrowanej z budynkami i fotowoltaice wewnętrznej.
Perowskity są powszechnie stosowane w szeregowo połączonych monolitycznych ogniwach tandemowych (TSC), aby przekroczyć limit Shockleya-Queissera ogniw słonecznych z pojedynczym złączem. Jest to teoretyczna maksymalna sprawność, jaką może osiągnąć konwencjonalne jednozłączowe ogniwo słoneczne w procesie konwersji energii słonecznej na energię elektryczną. Limit ten wynosi około 33,7 proc. dla ogniw zbudowanych z krzemu lub podobnych półprzewodników, co wynika z zasad fizyki półprzewodników oraz strat energii związanych z absorpcją fotonów i rekombinacją nośników ładunku. W ogniwach tandemowych można częściowo przekroczyć ten limit.
Ogniwa tandemowo perowskitowo-organiczne, które charakteryzują się szerokopasmową ogniwem perowskitowym z przodu i wąskopasmową warstwą organiczną z tyłu, zyskały popularność ze względu na swoją stabilność i potencjał wysokiej wydajności konwersji mocy. To nowe odkrycie uzupełnia niedawne osiągnięcie zespołu naukowców z Huazhong University of Science and Technology w Chinach, którzy osiągnęli rekordową wydajność konwersji mocy wynoszącą 28,49 proc. dla tandemowego ogniwa perowskitowego.
Poprzednie badania wykazały, że kationy o dużej objętości, takie jak cykliczne lub aromatyczne kationy dwuamonowe, są często stosowane do pasywacji powierzchni folii perowskitowych 3D lub w perowskitach Dion-Jacobson (DJ) 2D. Autorzy badania zauważają, że struktury izomeryczne mogą występować w niektórych kationach dwuamonowych, a ich wpływ na pasywację wymaga dalszych badań. Położenie grup funkcyjnych, takich jak amonowa i fluorowa, znacząco wpływa na rozkład chmury elektronowej i dipole wewnątrzcząsteczkowe, co prowadzi do różnych oddziaływań z powierzchnią folii perowskitowej 3D. Co ważne, izomeria cis-trans zapewnia sztywność cząsteczkową, pomagając utrzymać silny moment dipolowy.
Aby rozwiązać problem utraty napięcia z rekombinacji międzyfazowej na styku perowskitu o szerokiej przerwie energetycznej/C60, naukowcy proponują użycie izomerycznych soli dwuamonowych do pasywacji powierzchni. Wybrali dijodek cykloheksanu-1,4-dwuamonu (CyDAI2), który ma dwie formy izomeryczne: cis-CyDAI2 i trans-CyDAI2, z grupami amonowymi po tej samej lub przeciwnej stronie pierścienia cykloheksanu.
Wykorzystanie strategii pasywacji izomerycznej dwuamonu, szczególnie w przypadku cis-CyDAI2, może znacznie poprawić wydajność ogniw słonecznych z perowskitu o szerokiej przerwie energetycznej, co prowadzi do bardziej wydajnych i stabilnych tandemowych ogniw perowskitowo-organicznych.