Új hatékonysági világcsúcsot értek el napelemekkel

Az új, hitelesített rekordot a Szingapúri Nemzeti Egyetem (NUS) tudósai érték el, egy olyan cianát-integrált perovszkit tandem napelemmel, ami egy négyzetcentiméteres napenergia-elnyelő felületén már 27,1 százalékos teljesítményátalakítási hatásfokot képes elérni.

A napelemek több mint két rétegben is előállíthatók, és a hatékonyság növelése érdekében többszörös kapcsolódású napelemekké építhetők össze. Minden réteg más-más fotovoltaikus anyagból készül, és más-más tartományban nyeli el a napenergiát. A jelenlegi többszörös kapcsolódású napelemes technológiák számos problémát vetnek fel, például energiaveszteséget, ami alacsony feszültséghez és az eszköz működés közbeni instabilitásához vezet. E kihívások leküzdése érdekében Hou Yi docens és csapata először mutatta be a cianát sikeres integrálását egy perovszkit napelembe. Az eredmény egy élvonalbeli, háromszoros perovszkit/Si tandem napelem, amely felülmúlja más hasonló többszörös kapcsolódású napelemek teljesítményét.

A perovszkit által elérhető energiatartományt a szerkezet összetevői közötti kölcsönhatások határozzák meg. Ezek arányának beállítása vagy a közvetlen helyettesítő anyag megtalálása segíthet a perovszkit energiatartományának módosításában. A korábbi kutatások még nem hoztak létre olyan perovszkit-receptet, ami ultraszéles energiatartományt és magas hatásfokot biztosítana. Ezt sikerült most megvalósítani a NUS laborjában.

A csapat kikísérletezte a bromid (a perovszkitokban használt, halogenidcsoportba tartozó ion) helyettesítésére szolgáló cianátot, majd különböző analitikai módszereket alkalmazva megerősítették azt a perovszkit szerkezetében. Az új perovszkit atomszerkezetének további elemzése – a világon tehát először – kísérleti bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a cianát beépítése hozzájárult a szerkezet stabilizálásához és a perovszkiton belüli kulcsfontosságú kölcsönhatások kialakulásához. Mindez azt mutatja, hogy a cianát a perovszkit alapú napelemekben a halogenidek helyettesítője lehet.

A teljesítményt értékelve az NUS tudósai megállapították, hogy a cianátot tartalmazó perovszkit napelemek a hagyományos perovszkit napelemek 1,357 voltos feszültségéhez képest magasabb, 1,422 voltos feszültséget képesek elérni, és az energiaveszteség is jelentősen csökken. Az újonnan kifejlesztett perovszkit napelemet úgy tesztelték, hogy 300 órán keresztül folyamatosan maximális teljesítményen működtették, ellenőrzött körülmények között. A tesztidőszak után a napelem stabil maradt, és 96 százalékos kapacitás felett működött.

A cianát-integrált perovszkit napelemek teljesítményén felbuzdulva egy háromszoros átmenetű perovszkit/Si tandem napelemet állítottak össze. A kutatók egy perovszkit napelemet és egy szilícium napelemet helyeztek egymásra, hogy létrehozzanak egy kettős átmenetű félcellát, ezzel ideális alapot biztosítva a cianát-integrált perovszkit napelem rögzítéséhez. Az összeszerelést követően a kutatók bebizonyították, hogy a hármas kapcsolódású perovszkit/Si tandem napelemszerkezet az összetettsége ellenére stabil, és egy akkreditált független fotovoltaikus kalibráló laboratórium által hitelesített 27,1 százalékos világrekord hatásfokát éri el.

Az NUS csapata a jövőben a hatékonyság és a stabilitás veszélyeztetése nélkül szeretné nagyobb modulokra is alkalmazni a technológiát. A folytatódó kutatás a perovszkit határfelületein és összetételében megvalósuló újításokra fog összpontosítani.

Gábor János, Okosipar.hu