Modeling efficiency penalties of narrow-bandgap perovskites in Si-based tandem solar cells: Incorporating luminescent coupling at non-ideal absorption
Deze studie presenteert een gedetailleerd balansmodel waarin luminescente koppeling is opgenomen om aan te tonen dat perovskieten met een smalle bandgap (~1,57 eV) verrassend kleine efficiëntieboetes oplopen in siliciumgebaseerde tandemzonnecellen vergeleken met optimale bandgap-tegenhangers, wat suggereert dat hun potentiële relevantie wordt onderschat vanwege aanzienlijke winst in stabiliteit en materiaalbesparing.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Zonnecellen zijn de werkpaarden van de transitie naar hernieuwbare energie, omdat ze zonlicht direct in elektriciteit omzetten. Al decennia weten wetenschappers dat een enkele laag materiaal niet alle energie in zonlicht efficiënt kan opvangen; sommige kleuren licht gaan er dwars doorheen, terwijl andere te snel worden geabsorbeerd, waardoor hun energie als warmte verloren gaat. Om dit op te lossen, stapelen onderzoekers twee verschillende soorten zonnecellen op elkaar, waardoor een tandemapparaat ontstaat. De bovenste laag is ontworpen om het hoogenergetische, blauwe licht op te vangen, terwijl het laagenergetische, rode licht doorlaat naar een siliciumlaag eronder om geoogst te worden. Dit paar heeft het potentieel om de efficiëntie van zonnecellen ver voorbij wat enkelvoudige lagen kunnen bereiken te duwen. Het vinden van het perfecte materiaal voor die bovenste laag is echter een delicaat evenwichtsproces. Als de bovenste laag wordt afgestemd op het verkeerde kleurengamma, kan het te veel elektriciteit genereren voor de onderste laag om te verwerken, of het kan te dik zijn, waardoor het apparaat duur en instabiel wordt.
Een onderzoeker van de Leibniz Universiteit Hannover en het Instituut voor Zonne-energieonderzoek Hamelin heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze gestapelde cellen te modelleren, om te zien of een iets andere materiaalkeuze in werkelijkheid beter zou kunnen zijn dan de huidige favoriet. De focus lag op een specifiek type materiaal dat perovskiet wordt genoemd, een kristalstructuur die kan worden afgestemd om verschillende kleuren licht te absorberen. Hoewel de wetenschappelijke gemeenschap over het algemeen heeft ingestemd met het idee dat de ideale bovenste laag een bandgap van ongeveer 1,7 elektronvolt moet hebben om het vermogen te maximaliseren, wilde de onderzoeker weten wat er gebeurt als het materiaal iets anders is, met een bandgap van 1,57 elektronvolt. Deze smallere gap betekent dat het materiaal een groter deel van het zonnespectrum absorbeert, maar het creëert ook een overschot aan energie dat beheerd moet worden. De kern van hun onderzoek was een fenomeen genaamd luminescente koppeling, een proces waarbij de bovenste cel, nadat deze licht heeft geabsorbeerd, een deel van die energie weer uitzendt als licht dat naar de onderste siliciumcel reist om opnieuw gebruikt te worden.
Met behulp van een gedetailleerd computermodel gebaseerd op fundamentele fysica, simuleerde de onderzoeker hoe deze tandemcellen zich gedragen onder standaard zonlicht. Er werd rekening gehouden met de dikte van de bovenste laag en hoe licht door het apparaat weerkaatst en reist, in plaats van te vertrouwen op vereenvoudigde aannames die deze optische details negeren. Hun simulaties toonden een verrassend resultaat: de efficiëntieboete voor het gebruik van het materiaal met de smallere gap is veel kleiner dan voorheen gedacht. Wanneer de bovenste cel is afgestemd op de ideale 1,7 elektronvolt, bereikt het apparaat een piek-efficiëntie van ongeveer 41,8 procent. Wanneer de bovenste cel wordt gemaakt van het materiaal met de smallere gap, daalt de efficiëntie naar ongeveer 39,9 procent. Dit vertegenwoordigt een relatief verlies van slechts ongeveer 5 procent. In de wereld van zonne-energie, waar elke fractie van een procent fel wordt betwist, is dit een opmerkelijk kleine prijs om te betalen.
De reden dat dit kleine verlies zo significant is, ligt in de dikte van de benodigde materialen. Om die piek-efficiëntie te bereiken met het ideale 1,7 elektronvolt materiaal, moet de bovenste laag vrij dik zijn, rond de 1500 nanometer. De onderzoeker ontdekte echter dat het materiaal met de smallere gap zijn beste prestaties levert bij een dikte van slechts 733 nanometer. Dit betekent dat door een kleine daling in theoretische efficiëntie te accepteren, fabrikanten de hoeveelheid materiaal die voor de bovenste cel nodig is, met meer dan de helft kunnen verminderen. Deze reductie gaat niet alleen over het besparen op grondstoffen; het versnelt ook het productieproces, aangezien het aanbrengen van dunnere lagen minder tijd kost, en het vermindert de hoeveelheid giftig lood die in elke vierkante meter van het paneel aanwezig is.
De studie onderzocht ook hoe deze bevindingen standhouden in verschillende configuraties. In een opstelling waarbij de twee cellen elektrisch in een enkel circuit zijn verbonden, blijft de efficiëntieboete van 5 procent constant. Echter, als de cellen apart worden bedraad, waardoor ze onafhankelijk kunnen werken, krimpt het efficiëntieverschil zelfs tot slechts 2 procent. Dit suggereert dat het materiaal met de smallere gap zeer veelzijdig is. De onderzoeker merkte op dat hoewel het materiaal met de ideale gap het theoretische maximum is, de optie met de smallere gap een aantrekkelijke afweging biedt. Als het materiaal met de smallere gap in de loop van de tijd stabieler blijkt te zijn of goedkoper te produceren is, kan het uiteindelijk meer elektriciteit leveren over de levensduur van een zonnepark dan het theoretisch perfecte maar fragielere alternatief.
Door nauwkeurig te berekenen hoe licht beweegt en tussen de lagen koppelt, daagt dit werk de aanname uit dat de optimale bandgap de enige weg voorwaarts is. Het suggereert dat de perovskiet met de smallere gap, die enigszins is over het hoofd gezien ten gunste van het theoretische ideaal, een praktischere keuze kan zijn voor real-world zonnepanelen. De bevindingen bieden een op gegevens gebaseerde manier om de afwegingen tussen pure efficiëntie en factoren zoals stabiliteit, kosten en materiaalgebruik te wegen. Voor de toekomst van zonne-energie betekent dit dat de zoektocht naar de perfecte zonnecel niet noodzakelijkerwijs het najagen van één enkel theoretisch getal vereist, maar eerder het vinden van de juiste balans tussen prestaties en praktische bruikbaarheid.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.