Tyrėjams pavyko pasiekti svarbų proveržį gaminant perovskitinius saulės elementus: jie sukūrė daugiašaltį koevaporacijos metodą, kuris reikšmingai pagerina vakuuminiu būdu nusodintų perovskito plėvelių kristalinę kokybę.
Honkongo mokslo ir technologijų universiteto (HKUST) mokslininkų teigimu, šis pasiekimas priartina tiek visiškai vakuuminiu būdu gaminamus vientisinius perovskitinius elementus, tiek perovskito ir silicio tandemo saulės elementus prie pramoniniu mastu įgyvendinamos gamybos.
Metodas leidžia gauti itin tvarkingą plataus draustinio perovskitą
Mokslininkų komanda parodė, kad terminio nusodinimo vakuume metu įvedus švino chloridą (PbCl₂) kaip papildomą koevaporacijos šaltinį, galima veiksmingai valdyti perovskito kristalų augimą. Taip išgaunamas itin tvarkingas plataus draustinio (1,67 eV) perovskitas, kurio daugelis grūdelių yra išsidėstę (100) „face-up“ orientacija.
Tokia orientacija laikoma didesnio kristališkumo požymiu: plėvelė tampa atsparesnė šviesos ir temperatūros sukeliamiems degradacijos procesams, pasižymi geresnėmis optoelektroninėmis savybėmis ir didesniu stabilumu veikiant šviesos bei šilumos apkrovoms.
Taikydama naują nusodinimo metodiką, komanda pasiekė pirmąjį sertifikuotą visiškai vakuuminiu būdu nusodinto plataus draustinio perovskitinio saulės elemento rezultatą. 0,25 cm² ploto elementui nustatytas, pagal maksimalaus darbinio taško sekimą apskaičiuotas, naudingumo koeficientas siekė 18,35 %. Laboratorijoje elementai pasiekė 19,3 % efektyvumą, o sudėtingesnio 1 cm² ploto elemento atveju – 18,5 %.
Pirmoji darbo autorė dr. SHEN Xinyi, HKUST Elektronikos ir kompiuterių inžinerijos katedros podoktorantūros stažuotoja, pabrėžė, kad tyrimas sprendžia esminę medžiagų mokslo problemą, iki šiol stabdžiusią vakuuminiu būdu nusodintų perovskitų pažangą. Sureguliavus garinimo procesą taip, kad būtų galima kontroliuoti kristalų orientaciją, pasiektas išplėstas šiluminis ir fotostabilumas, prilygstantis geriausiems tirpalu apdorotiems perovskitams, kartu išlaikant visus sauso, pramonei tinkamo vakuuminio nusodinimo privalumus.
Išbandytas patvarumas
Ilgaamžiškumui įvertinti komanda taikė Tarptautinio organinių fotovoltinių elementų stabilumo simpoziumo (ISOS) protokolą. Pagal griežtą ISOS-L-2 pagreitinto senėjimo testą – pilno spektro vienos saulės intensyvumo apšvieta be ultravioletinių filtrų, 75 ± 5 °C temperatūra ore ir veikimas atviro kontūro režimu – hermetizuoti elementai po 1080 valandų darbo išsaugojo 80 % didžiausio pasiekto našumo.
Tyrėjai taip pat pasitelkė operandinį hiperspektrinį vaizdinimą, kad realiuoju laiku stebėtų, kas vyksta įrenginiuose jiems veikiant. Šis metodas veikia tarsi pažangi „spektro kamera“: ji pikselis po pikselio fiksuoja ir sužemėlapiuoja optinius signalus veikiančiame saulės elemente.
Pasak prof. LIN Yen-Hung, HKUST Elektronikos ir kompiuterių inžinerijos katedros docento, operandinio hiperspektrinio vaizdinimo taikymas suteikė iki šiol neregėto erdvinio ir laikinio supratimo apie įrenginių fiziką ir leido atskleisti veiksnius, kurie prailgina įrenginių eksploatavimo trukmę.
Mikroskopiniu mastu buvo vizualizuoti ir atskirti halogenidų segregacijos bei spąstais tarpininkaujamos rekombinacijos procesai, o šie reiškiniai tiesiogiai susieti su makroskopiniais įrenginio veikimo rodikliais.
Mokslininkų teigimu, aukštos kokybės vakuuminiu būdu nusodintos perovskito sluoksniuotos struktūros yra ypač svarbios tandeminėms saulės baterijoms, kuriose perovskitinis viršutinis elementas derinamas su apatiniu silicio elementu, taip efektyviau panaudojant Saulės spinduliuotės spektrą.
Pasitelkusi patobulintas plėveles, komanda pasiekė tolygų perovskito nusodinimą ant pramoninio standarto silicio heterosandūrinio elemento su mikrometrinio mastelio tekstūra. Taip buvo pagaminti 1 cm² ploto perovskito ir silicio tandeminiai saulės elementai, pasiekę 27,2 % naudingumo koeficientą.
Bandomojo realių sąlygų bandymo Italijoje metu visiškai vakuuminiu būdu nusodinti tandeminiai elementai išlaikė apie 80 % pradinio našumo po aštuonių mėnesių eksploatacijos lauke. Tai pabrėžia pažangą kuriant stabilesnius perovskito ir silicio tandemo sprendimus.
