Revoluce v solární energii: Čínští vědci vyřešili klíčový problém a dosáhli 23,15% účinnosti u velkoplošných panelů

Vědci z Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) v Číně dosáhli významného pokroku ve zlepšení výkonu invertovaných perovskitových solárních článků (PSC). Jejich studie představuje inovativní způsob, jak stabilizovat takzvané „pohřbené rozhraní“, což je mikroskopická vrstva skrytá hluboko v invertovaných perovskitových solárních článcích, kde obvykle dochází ke ztrátě účinnosti a stability.

Tato vrstva je notoricky obtížně kontrolovatelná, protože se stýká s perovskitem a vrstvou pro transport děr. V důsledku toho invertované PSC často trpí elektronickými vadami a nekonzistentním strukturálním uspořádáním ve svých základech. Tým QIBEBT, vedený profesorem Pangem Shupingem a doktorkou Sun Xiuhong, však tento problém konečně vyřešil. Vědci představili metodu předběžného setí krystal-solvátu (CSV).

Zajímavé je, že tato technika řídí růst solárních krystalů zdola nahoru a vytváří téměř bezchybné filmy pro sběr energie. Invertované perovskitové solární články jsou považovány za mladšího, „cool“ sourozence stávajících solárních technologií. Tyto články se snadněji vyrábějí ve velkém měřítku a mají obrovský energetický potenciál.

Technologie však čelí výzvě v nejspodnější vrstvě, kde se perovskit setkává se substrátem nebo vrstvou pro transport děr. Elektronické vady a drobné dutiny na tomto pohřbeném rozhraní zpomalují elektrony a způsobují předčasnou degradaci zařízení. Tým QIBEBT se proto pokusil přepracovat samotný základ.

K vyřešení tohoto problému vědci vyvinuli metodu předběžného setí krystal-solvátu, která využívá specializované nanokrystaly jako šablonu pro jednotný růst a samoopravu během výroby. Tato technika umožňuje kontrolu nad pohřbeným rozhraním a otevírá cestu k výrobě vysoce výkonných, velkoplošných perovskitových solárních modulů.

Z technického hlediska tato technika zahrnuje předběžné nanesení na míru navržených halogenidových nanokrystalů na substráty ošetřené samoorganizovanou monovrstvou (SAM). Tato nízkorozměrná krystal-solvátová semena slouží jako strukturní šablony, které ukotvují růst následné perovskitové vrstvy a zajišťují vysoce uspořádanou krystalizaci zdola nahoru.

Navíc tyčinkovité CSV nanokrystaly fungují jako dvojúčelový základ: zlepšují smáčivost hydrofobních povrchů pro jednotné povlakování a poskytují hustá nukleační místa, která urychlují růst krystalů. Skutečnou inovací je však efekt žíhání rozpouštědlem vázaným v mřížce. Ten pomalu uvolňuje zachycené molekuly během zahřívání, aby opravil vady a reorganizoval krystalová zrna přímo na spodním rozhraní. Tento synergický proces zajišťuje, že perovskitová vrstva se nejen rychle tvoří, ale je také strukturálně nadřazená a bez typických mezer na rozhraní.

„Vyvinuli jsme integrovaný přístup, který současně řeší regulaci krystalizace a stabilizaci rozhraní,“ uvedla Dr. SUN Xiuhong, spoluautorka studie. „Tato strategie poskytuje dobrý výkon i na pohřbených rozhraních, která jsou notoricky náročná na přesnou kontrolu,“ dodala Xiuhong.

Zatímco mnoho laboratorně pěstovaných solárních článků funguje perfektně, když mají velikost nehtu, při zvětšení měřítka selhávají; tato nová metoda si však udržuje stabilitu. Tým úspěšně vyrobil mini-modul o straně téměř 50 cm. Dosáhl účinnosti přeměny energie 23,15 %. Pozoruhodné je, že ztráta účinnosti mezi malou testovací buňkou a větším modulem byla méně než 3 % – což je obrovské vítězství pro budoucnost masově vyráběných solárních panelů. Tato technologie by mohla prospět také při výrobě polovodičů a světlo emitujících zařízení. Studie byla publikována v časopise Nature Synthesis 27. února.