Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
Diese Studie führt ein langgestrecktes, bisphosphonisches selbstorganisierendes Molekül (S2) ein, das eine gleichmäßige, stabile Grenzflächenabdeckung auf texturiertem Silizium im industriellen Maßstab ermöglicht, was zu zertifizierten, 32,6 % effizienten und hochgradig haltbaren Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen und -Modulen führt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Solarenergie war lange Zeit durch eine fundamentale Obergrenze begrenzt: Eine einzelne Materialschicht kann nur einen spezifischen Ausschnitt des Sonnenlichts einfangen, während der Rest entweder hindurchscheint oder in ungenutzter Wärme verloren geht. Um diese Barriere zu durchbrechen, haben sich Wissenschaftler dazu entschlossen, zwei verschiedene lichtfangende Schichten übereinander zu stapeln und so eine Tandem-Zelle zu erschaffen. Die obere Schicht ist darauf ausgelegt, energiereiches Licht einzufangen, während die untere Schicht, die meist aus Silizium besteht, das niederenergetische Licht auffängt, das durch die obere Schicht schlüpft. Wenn diese beiden zusammenarbeiten, können sie theoretisch weitaus mehr Elektrizität erzeugen als ein Standard-Solarmodul. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, diese gestapelten Zellen effizient im großen, industriellen Maßstab zum Laufen zu bringen. Die untere Siliziumschicht ist nicht flach; sie ist mit winzigen, gezackten Pyramiden bedeckt, um das Licht besser einzufangen. Während diese Textur gut für das Einfangen des Sonnenlichts ist, erzeugt sie eine raue Landschaft, die unglaublich schwer gleichmäßig mit den empfindlichen chemischen Schichten zu beschichten ist, die für die Funktion der oberen Zelle notwendig sind. Wenn die Beschichtung ungleichmäßig ist, versagt das Bauteil, und das Versprechen hoher Effizienz bleibt in den Laboren gefangen.
Ein Forschungsteam hat nun dieses Beschichtungsproblem gelöst, indem es eine neue Art von Molekularschicht entworfen hat, die sich perfekt über die raue Siliziumoberfläche legt und so zu Rekord-Effizienzwerten für große Solarmodule führt. Der Kern ihres Erfolgs liegt in einem maßgeschneiderten Molekül, das als selbstassemblierende Brücke zwischen dem Silizium und der oberen lichtfangenden Schicht fungiert. Frühere Versuche, diese Brücken zu erzeugen, verwendeten kleine Moleküle, die das Silizium nur an einem einzigen Punkt greifen konnten. Auf den gezackten Spitzen und Graten der industriellen Siliziumtextur konnten diese kleinen Moleküle nicht über den nächsten Punkt hinwegreichen, was Lücken hinterließ und dazu führte, dass die Schicht auseinanderbrach. Andere Forscher versuchten, lange, kettenartige Moleküle zu verwenden, um eine größere Fläche abzudecken, aber diese neigten dazu, sich zu unordentlichen Haufen zusammenzustapeln, anstatt ein glattes Blatt zu bilden. Das neue Design, das von Wissenschaftlern der Peking University, Trina Solar und anderen Institutionen entwickelt wurde, kombt das Beste aus beiden Welten. Sie schufen ein Molekül mit einem langen, flexiblen Rückgrat, das über die scharfen Spitzen der Siliziumpyramiden hinwegspannen kann, während seine Enden statt eines einzelnen Endes mit zwei starken Ankern ausgestattet sind.
Die Forscher fanden heraus, dass dieses spezifische Design es den Molekülen ermöglicht, sich gleichmäßig auszubreiten und jeden Zentimeter der texturierten Oberfläche zu bedecken, ohne zu verklumpen oder Lücken zu hinterlassen. Da die Moleküle so lang und flexibel sind, können sie sich der Form des Siliziums anpassen und biegen, um von einer Seite einer Pyramide zur anderen zu reichen. Die zwei Anker an den Enden greifen die Oberfläche fest und stellen sicher, dass die Schicht auch unter Hitze und Belastung an Ort und Stelle bleibt. Diese gleichmäßige Abdeckung ist entscheidend, da sie es ermöglicht, dass der Strom reibungslos von der oberen Schicht zur unteren fließt, ohne stecken zu bleiben oder abzufließen. Als das Team dieses neue Molekül in einer Laborumgebung auf einem kleinen Stück Silizium testete, wandelte die resultierende Solarzelle 34,3 % des auf sie treffenden Sonnenlichts in Elektrizität um. Dies ist ein bedeutender Sprung gegenüber bisherigen Rekorden für diese Art von kleinen Zellen.
Noch wichtiger ist, dass das Team bewiesen hat, dass dieser Ansatz auf der massiven Skala funktioniert, die für die reale Stromerzeugung erforderlich ist. Sie wandten dasselbe Molekül auf einen großen Silizium-Wafer an, der etwa die Größe eines Standard-Industrie-Solarmoduls hat, wobei sie eine Maschine verwendeten, die die Oberfläche wie ein Drucker beschichtet. Das große Modul erreichte eine zertifizierte Effizienz von 32,6 %, was der höchste jemals aufgezeichnete Wert für eine Solarzelle dieser Größe ist. Um sicherzustellen, dass diese Technologie bereit für die reale Welt ist, setzten die Forscher die Paneele extremen Bedingungen aus, die jahrelange Außenanwendungen simulieren. Sie backten die Paneele in hoher Hitze und Feuchtigkeit und ließen sie durch extreme Temperaturwechsel laufen. Nach diesen Tests behielten die Paneele mehr als 90 % ihrer ursprünglichen Leistung bei. Als sie ein Modul aus diesen großen Zellen im Freien installierten, produzierte es über den Verlauf eines Monats hinweg konsistent Energie.
Die Studie zeigt, dass der Schlüssel zur Entfaltung des vollen Potenzials der nächsten Generation der Solarenergie nicht nur in den Materialien liegt, die das Licht einfangen, sondern darin, wie diese Materialien mit dem darunter liegenden Silizium verbunden sind. Durch die Entwicklung eines Moleküls, das lang genug ist, um das raue Gelände des industriellen Siliziums zu überspannen, und stark genug, um festzuhalten, haben die Forscher einen wichtigen Engpass beseitigt, der hocheffiziente Solarzellen auf kleine Laborproben beschränkt hatte. Diese Arbeit deutet darauf hin, dass der Weg zu billigerer, leistungsstärkerer Solarenergie frei ist, vorausgesetzt, die empfindliche Grenzfläche zwischen den Schichten kann mit der gleichen Präzision gesteuert werden wie die lichtfangenden Materialien selbst. Die Ergebnisse deuten darauf darauf hin, dass diese Tandemzellen nicht länger nur eine theoretische Möglichkeit, sondern eine lebensfähige Technologie sind, die bereit für die Massenproduktion ist.
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