בפריצת דרך משמעותית לטכנולוגיה פוטו-וולטאית, חוקרים מהלמהולץ-Zentrum Berlin (HZB) ו-Humboldt-Universität הגרמנית השיגו שיא עולמי חדש של יעילות המרת חשמל של 25.5% עבור תא סולארי טנדם מסוג perovskite-CIGS. אבן דרך זו, שאושרה על ידי ה-European Solar Test Installation (ESTI), מייצגת את היעילות הגבוהה ביותר שנרשמה אי פעם עבור שילוב החומרים הספציפי הזה ומסמנת צעד גדול קדימה בפיתוח של טכנולוגיות סולריות של סרט דק-.
ארכיטקטורת הטנדם
מכשיר זה מסוגל להשיג שיא עולמי ביעילות הודות לתכנון שלו תוך שימוש בתא עליון (פרוסקיט) וגם בתא תחתון (CIGS) המרכיבים יחד את מה שמכונה "מבנה טנדם מונוליטי". לכן, כל חלק בתא סופג וממיר אנרגיית שמש באורכי גל שונים בספקטרום השמש-כלומר, התא העליון סופג אור באנרגיה גבוהה (אולטרה סגול); בעוד התא התחתון סופג אור באנרגיה נמוכה (אינפרא אדום). כתוצאה ממבנה זה, החלק העליון של התא העליון והצד התחתון של התא התחתון יספגו חלקים שונים של הספקטרום הסולארי ביעילות גבוהה יותר מאשר כל אחד מהמכשירים היה משיג בעצמו; ובכך ליצור עלייה ביעילות הכוללת כאשר שני המכשירים עובדים יחד בסידור טנדם.
חידושים טכניים מאחורי פריצת הדרך
כדי להשיג את השיא הזה, החוקרים HZB ו-Humboldt-Universität ביצעו אופטימיזציה שיטתית של מספר היבטים של ארכיטקטורת המכשיר. הם חקרו תאים תחתונים מבוססי CIGS- עם פערי פס מכוונים בקפידה של 1.05 eV ו- 1.1 eV, לצד שני עוביים שונים של שכבות תחמוצת אבץ מסוימות-אלומיניום. הנדסת פערי פס מדוקדקת זו אפשרה להם להתאים טוב יותר את הדור הנוכחי בין תאי המשנה העליון והתחתון-, גורם קריטי בביצועי מכשיר טנדם.
הצוות גם ביצע סינון מקיף של חומרי שכבת הובלת חורים, בדק שילובים שונים של תחמוצת ניקל (NiOx) ומונו-שכבות- בהרכבה עצמית (SAMs). שכבות הממשק הללו ממלאות תפקיד מכריע בחילוץ נושאי מטען שנוצרו בצילום תוך דיכוי הפסדי רקומבינציה-מנגנון מגביל יעילות-ראשי בתאים סולאריים. על ידי זיהוי תצורות ממשק אופטימליות, החוקרים הצליחו לשפר בו זמנית את סלקטיביות המטען ולמזער את הפסדי האנרגיה במגעים.
אולי בעיקר, הצוות חידד את היווצרות המגע הסלקטיבית של האלקטרונים- על ידי שליטה מדויקת בקצב האידוי התרמי הראשוני של buckminsterfullerene (C60) שהופקד על שכבת פסיבציה של ליתיום פלואוריד (LiF) אולטרה-דקה של 1 ננומטר. גישה מתוחכמת זו אפשרה את מה שהם תיארו כ"יצירת ממשק מבוקר יותר ויישור אלקטרוני משופר", והוכיחה שהנדסה ננומטרית של שכבות מגע יכולה להניב שיפורי ביצועים משמעותיים.
מתא מעבדה למודול מעשי
בעוד שיעילות השיא הושגה במכשיר -בשטח קטן של 1.081 ס"מ, החוקרים הוכיחו שניתן לתרגם את האופטימיזציות שלהם לפורמטים גדולים יותר. באמצעות ערימה דומה של חומרים, הם ייצרו מודול מיני- בשטח של 2.25 ס"מ² שהשיג יעילות של כ-19.7%. למרות שזה מייצג ירידה משמעותית מיעילות התאים הקטנים-, הוא מספק הוכחות מעודדות לכך שניתן להגדיל את הממשק הבסיסי ואסטרטגיות המגע מעבר למסגרת המעבדה.
אבן דרך, לא היעד הסופי
אולי ההיבט המרגש ביותר של הכרזה זו הוא מה שהיא מציעה לגבי הפוטנציאל העתידי. חוקר HZB Guillermo Farias Basulto ציין כי "הפיסיקה העומדת בבסיס ארכיטקטורת התא הנוכחית שלנו מצביעה על כך ש-25.5% הם רק אבן דרך ראשונית". בדיקה-ביתית של עיצובים דומים כבר השיגה יעילות של עד 27.5%, מה שמרמז שלרעיון המכשיר הבסיסי יש עדיין פוטנציאל בלתי מנוצל.
המחקר נערך כחלק מפרויקט "SOLMATES", יוזמה במימון-האיחוד האירופי בראשות HZB לחקור את השילוב של טכנולוגיות CIGS ו-perovskite. השיא הקודם של HZB במסגרת תוכנית זו עמד על 24.6%, מה שהופך את הקפיצה ל-25.5% לצעד משמעותי, אם כי מצטבר.
השלכות על התעשייה הסולארית
להישג הזה יש משמעות חשובה עבור תעשיית התאים הסולאריים. לתא סרט דק CIGS-יהיו מספר יתרונות על פני תאים סולאריים-דקים רגילים, כגון היותו גמיש, יכולת ביצועים טובים בתנאים מוארים חלקית ועלויות ייצור נמוכות. על ידי שילוב היתרונות של תאי CIGS עם היתרונות של תאי פרוסקיט, לתאי CIGS יש פוטנציאל לשמש ליישומים חדשים באלקטרוניקה גמישה וב-BIPV, שבהם לא ניתן להשתמש בתאי סיליקון.
תוצאות המחקר גם מצביעות על כך שטנדמים של perovskite-CIGS הם תחרותיים עם מערכות טנדם מבוססות-סיליקון. בנוסף להיותם מסוגלים לייצר באמצעות סרט דק בלבד, ניתן לייצר אותם גם באמצעות פחות ממיקרומטר אחד של חומר. העיצוב האולטרה-קל והגמיש שלהם יספק הזדמנויות חדשות לשימושם כבניית-פתרונות משולבים או יישומים אלקטרוניים ניידים.
הדרך קדימה
בעוד ש-25.5% הוא הישג ראוי לציון, מגבלת היעילות התיאורטית עבור טנדמים של perovskite-CIGS עולה על 30%. הפער בין הרשומה הנוכחית לתקרה תיאורטית זו מצביע על כך ששיפורים מהותיים נותרו אפשריים באמצעות אופטימיזציה מתמשכת של איכות החומר, הנדסת ממשקים וניהול אופטי. הגישה השיטתית של הצוות הגרמני-החוקרת פערי פס מרובים, שילובי שכבות תחבורה ואסטרטגיות הנדסת קשר-מספקת תוכנית מתודולוגית למאמצים עתידיים.
ככל שתעשיית השמש העולמית ממשיכה להתרחב המהירה שלה, חידושים בטכנולוגיית תאי טנדם ימלאו תפקיד חשוב יותר בהורדת עלות החשמל הסולארי. ההישג של החוקרים הגרמניים של 25.5% יעילות עבור טנדמים של perovskite-CIGS מייצג לא רק שיא עולמי חדש, אלא הדגמה של הפוטנציאל יוצא הדופן שטמון במפגש בין שתי מערכות החומר המדהימות הללו. עם תוצאות-בית שכבר מצביעות על 27.5% בהישג יד, וכשהגבול התיאורטי עדיין גבוה בהרבה, המסע לעבר יעילות סולארית טרנספורמטיבית באמת רחוק מלהסתיים.
