Tyrėjams pavyko pasiekti svarbų proveržį gaminant perovskitinius saulės elementus – jie sukūrė daugiašaltį koevaporacijos metodą, kuris reikšmingai pagerina vakuuminiu būdu nusodintų perovskito plėvelių kristalinę kokybę.
Šis pasiekimas, anot Honkongo mokslo ir technologijų universiteto „HKUST“ mokslininkų, priartina tiek visus vakuuminiu būdu gaminamus vientisinius perovskitinius elementus, tiek perovskito ir silicio tandeminės saulės elementus prie pramoniniu mastu įgyvendinamos gamybos.
Metodas leidžia gauti labai tvarkingą plataus draustinio perovskitą
Mokslininkų komanda parodė, kad įvedus švino chloridą (PbCl₂) kaip papildomą koevaporacijos šaltinį terminio nusodinimo vakuume metu galima veiksmingai valdyti, kaip auga perovskito kristalai. Taip išgaunamas labai tvarkingas plataus draustinio (1,67 eV) perovskitas, kurio daugelis grūdelių yra išsidėstę (100) „face-up“ orientacija. Tai yra labiau kristališkos plėvelės požymis: tokia struktūra geriau atspari šviesos ir temperatūros sukeliamiems degradacijos procesams, pasižymi geresnėmis optoelektroninėmis savybėmis ir didesniu stabilumu esant šviesos ir šilumos apkrovoms.
Taikydama naują nusodinimo metodiką, komanda pasiekė pirmąjį sertifikuotą visapusiškai vakuuminiu būdu nusodinto plataus draustinio perovskitinio saulės elemento rezultatą. 0,25 cm² ploto elementui užfiksuotas maksimalaus darbinio taško sekimu pagrįstas naudingumo koeficientas siekė 18,35 %. Laboratorijoje elementai pasiekė 19,3 % efektyvumą ir 18,5 % efektyvumą sudėtingesnio 1 cm² ploto elemento atveju.
„Mūsų darbas sprendžia pagrindinę medžiagų mokslo problemą, kuri iki šiol stabdė vakuuminiu būdu nusodintų perovskitų pažangą, – teigė pirmoji autorė dr. SHEN Xinyi, „HKUST“ Elektronikos ir kompiuterių inžinerijos katedros podoktorantūros stažuotoja. – Sureguliavę garinimo procesą taip, kad galėtume kontroliuoti kristalų orientaciją, pasiekėme išplėstą šiluminį ir fotostabilumą, prilygstantį geriausiems tirpalu apdorotiems perovskitams, kartu išlaikydami visus sauso, pramonei tinkamo vakuuminio nusodinimo privalumus.“
Išbandytas patvarumas
Siekdama įvertinti ilgaamžiškumą, 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, veikimas atviro kontūro režimu – hermetizuoti elementai išsaugojo 80 % savo didžiausio pasiekto našumo po 1080 valandų darbo.
Tyrėjai naudojo operandinį hiperspektrinį vaizdinimą, kad matytų, kas vyksta įrenginiuose jiems veikiant. Operandinis hiperspektrinis vaizdinimas – tai pažangi „spektro kamera“, kuri pikselis po pikselio užfiksuoja ir sužemėlapiuoja optinius signalus veikiančiame saulės elemente.
„Pasitelkę operandinį hiperspektrinį vaizdinimą, gavome precedento neturinį erdvinį ir laikinį supratimą apie įrenginių fiziką ir atskleidėme veiksnius, lemiančius pailgėjusią įrenginių eksploatavimo trukmę“, – aiškino prof. LIN Yen-Hung, Elektronikos ir kompiuterių inžinerijos katedros docentas.
„Mikroskopiniu mastu vizualizavome ir atskyrėme halogenidų segregacijos bei spąstais tarpininkaujamos rekombinacijos procesus, tiesiogiai susiedami šiuos reiškinius 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, iš silicio pagamintu 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 27,2 % naudingumo koeficientą pasiekę 1 cm² ploto perovskito ir silicio tandeminiai saulės elementai. Bandomojo realių sąlygų bandymo Italijoje metu visiškai vakuuminiu būdu nusodinti tandeminiai elementai išlaikė apie 80 % pradinio našumo po aštuonių mėnesių eksploatacijos lauke, pabrėžiant pažangą kuriant stabilius perovskito ir silicio tandemus.
