Een team van onderzoekers onder leiding van professor Anita Ho-Baillie, John Hooke Chair of Nanoscience aan de Universiteit van Sydney in Australië, heeft een nieuw zonnetechnologierecord gevestigd voor 's werelds grootste triple-junction perovskiet-perovskiet-silicium tandemzonnecel.
Hun 16 cm2De drievoudige-junction-cel beschikt over een stabiele- energieconversie-efficiëntie van 23,3% (onafhankelijk gecertificeerd), wat het hoogst gerapporteerde is voor een apparaat met een groot- oppervlak in zijn soort. Haar team creëerde ook een 1 cm2cel met een efficiëntie van 27,06%, waarmee nieuwe normen voor thermische stabiliteit werden vastgelegd (zie video).
De drang naar efficiëntiewinsten wordt gedreven door "een grotere speelruimte voor de efficiëntie van energieconversie-omdat de theoretische efficiëntielimiet voor een drievoudige kruising ~51% bedraagt, terwijl deze voor een dubbele kruising rond de 45% ligt", zegt Ho-Baillie, die ook verbonden is aan het Net Zero Institute van de Universiteit van Sydney. "Een enkele junctie is 33% als de bandafstand van de zonnecel niet beperkt is, maar slechts 30% voor silicium."
Bij multijunction-tandemzonnecellen worden zonnecellen met verschillende bandafstanden gestapeld,-waarbij de hoogste naar de zon-zijde is gericht-, zodat elke cel delen van het zonnespectrum efficiënter kan omzetten in elektrische energie en sub-bandafstand- en thermalisatieverliezen kunnen worden geminimaliseerd.
"In een cel met twee- knooppunten zet de bovenste brede- bandgap-overgang bijvoorbeeld hogere fotonenenergie om in elektrische energie en doet dit efficiënter dan een smallere bandgap-overgang -wat het thermalisatieverlies vermindert", legt Ho-Baillie uit. "Het foton met lagere-energie gaat door de bovenste brede-bandgap-overgang en zal worden geabsorbeerd door de smallere bandgap-onderovergang voor de conversie van elektrische energie. Als de onderste kruising er niet was, resulteren dergelijke fotonen met lagere- lagere energie in sub-bandgap-niet-absorptieverlies."
Optische ontwerpen
Om de betrokken optische ontwerpen te illustreren, zijn de twee bovenste perovskietverbindingen van het team elektrisch met elkaar verbonden via gouden nanodeeltjes. "We gebruikten optische modellering om het effect van de dekking van nanodeeltjes op optisch verlies te simuleren, en elektrische modellering om het ohmse contact van het nanodeeltje te simuleren", legt Ho-Baillie uit. "Er wordt een evenwicht bereikt wanneer er voldoende nanodeeltjes aanwezig zijn voor minimaal optisch verlies zonder de elektrische prestaties in gevaar te brengen."
Het team van Ho-Baillie verbeterde ook de stabiliteit en prestaties van de perovskietverbinding met grote bandafstand (1,91-eV) door "rubidium te vervangen door het minder stabiele methylammonium in de perovskiet en piperazinium-dichloride (PDCI) te vervangen door het minder stabiele lithiumfluoride als oppervlaktepassiverende laag", zegt ze.
Ho-Baillie's volharding in het visualiseren van het ultradunne goud heeft echt zijn vruchten afgeworpen. "Er moet een kritische hoeveelheid goud aanwezig zijn voordat clusters zich kunnen vormen voordat ze een semi-continue film kunnen worden", zegt ze. "Meer goud zal het mogelijk maken dat een continue film groeit. Beneden de kritische hoeveelheid van het 'cluster' zal goud de vorm hebben van nanodeeltjes. Wat onze bevindingen interessant maakt, is dat films-continu of niet continu-niet nodig zijn om twee knooppunten te verbinden. Nanodeeltjes, hoewel geïsoleerd, zijn voldoende voor ohms contact tussen de knooppunten voor verticaal dragertransport-terwijl optische verliezen worden geminimaliseerd."
Wat betekent dit efficiëntierecord voor het veld? "Onze demonstratie biedt inzicht in belangrijke materiaaleigenschappen voor toekomstige efficiëntieverbeteringen", zegt Ho-Baillie. "Verliesanalyse biedt ook aanbevelingen voor toekomstige efficiëntieverbeteringen-zowel voor apparaten met een klein- als een groot- oppervlak. Volgende stap: een triple-junction van 30%, richting 40%."
Bij het werk van het team waren partners uit China, Duitsland en Slovenië betrokken, en het kreeg steun van de Australian Renewable Energy Agency en de Australian Research Council.
