ในความก้าวหน้าครั้งสำคัญสำหรับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ นักวิจัยจาก Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) และ Humboldt-Universität ของเยอรมนี ประสบความสำเร็จในด้านประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเป็นสถิติโลกใหม่ถึง 25.5% สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite- CIGS แบบคู่ เหตุการณ์สำคัญนี้ซึ่งได้รับการรับรองโดย European Solar Test Installation (ESTI) แสดงถึงประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่เคยมีการบันทึกมาสำหรับการผสมวัสดุเฉพาะนี้ และถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง-
สถาปัตยกรรมตีคู่
อุปกรณ์นี้สามารถบรรลุสถิติโลกในด้านประสิทธิภาพได้ เนื่องจากการออกแบบโดยใช้ทั้งเซลล์ด้านบน (perovskite) และเซลล์ด้านล่าง (CIGS) ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "โครงสร้างตีคู่เสาหิน" ดังนั้น แต่ละส่วนของเซลล์จะดูดซับและแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ที่ความยาวคลื่นต่างกันภายในสเปกตรัมของแสงอาทิตย์-นั่นคือ เซลล์ด้านบนดูดซับแสงพลังงานสูง (อัลตราไวโอเลต) ในขณะที่เซลล์ด้านล่างดูดซับแสงพลังงานต่ำ (อินฟราเรด) จากโครงสร้างนี้ ส่วนกลับด้านบนของเซลล์ด้านบนและด้านล่างของเซลล์ด้านล่างจะดูดซับส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าอุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งจะทำได้ด้วยตัวเอง จึงเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมเมื่ออุปกรณ์ทั้งสองทำงานร่วมกันในลักษณะเรียงตามกัน
นวัตกรรมทางเทคนิคเบื้องหลังความก้าวหน้า
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ นักวิจัยของ HZB และ Humboldt-Universität ได้เพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมอุปกรณ์หลายๆ ด้านอย่างเป็นระบบ พวกเขาสำรวจเซลล์ด้านล่างที่ใช้ CIGS- โดยมีช่องว่างของแถบความถี่ที่ปรับแต่งอย่างระมัดระวังที่ 1.05 eV และ 1.1 eV ควบคู่ไปกับชั้นอะลูมิเนียม-เจือซิงค์ออกไซด์ที่มีความหนาต่างกันสองชั้น วิศวกรรม bandgap ที่พิถีพิถันนี้ช่วยให้สามารถจับคู่รุ่นปัจจุบันระหว่างเซลล์ย่อยด้านบนและด้านล่างได้ดีขึ้น- ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่เรียงตามกัน
ทีมงานยังได้ดำเนินการคัดกรองวัสดุชั้นขนส่งรูอย่างกว้างขวาง โดยทดสอบส่วนผสมต่างๆ ของนิกเกิลออกไซด์ (NiOx) และชั้นเดียวที่ประกอบขึ้นเอง- (SAM) ชั้นอินเทอร์เฟซเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการแยกพาหะประจุที่สร้างด้วยแสงออกมา ขณะเดียวกันก็ระงับการสูญเสียการรวมตัวกันใหม่-ซึ่งเป็นกลไกการจำกัดประสิทธิภาพหลัก-ในเซลล์แสงอาทิตย์ ด้วยการระบุการกำหนดค่าอินเทอร์เฟซที่เหมาะสมที่สุด นักวิจัยจึงสามารถปรับปรุงการเลือกประจุไฟฟ้าได้พร้อมๆ กัน และลดการสูญเสียพลังงานที่หน้าสัมผัสได้
สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือ ทีมงานได้ปรับแต่ง-รูปแบบการสัมผัสแบบเลือกสรรของอิเล็กตรอนโดยการควบคุมอัตราการระเหยด้วยความร้อนเริ่มต้นของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน (C60) ที่สะสมอยู่บนชั้นฟิล์มบางพิเศษ-ลิเธียมฟลูออไรด์ (LiF) ขนาด 1 นาโนเมตรอย่างแม่นยำ วิธีการที่ซับซ้อนนี้ช่วยให้สิ่งที่พวกเขาอธิบายว่าเป็น "การสร้างส่วนต่อประสานที่มีการควบคุมมากขึ้นและการจัดตำแหน่งทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีขึ้น" แสดงให้เห็นว่าวิศวกรรมระดับนาโนของชั้นสัมผัสสามารถให้ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก
จากห้องแล็บไปจนถึงโมดูลภาคปฏิบัติ
แม้ว่าประสิทธิภาพการบันทึกจะเกิดขึ้นได้บนอุปกรณ์พื้นที่ขนาดเล็ก-ขนาด 1.081 ซม.² นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มประสิทธิภาพสามารถแปลงเป็นรูปแบบที่ใหญ่ขึ้นได้ โดยใช้กองวัสดุที่คล้ายกัน พวกเขาสร้างโมดูลขนาดเล็ก-ที่มีพื้นที่ 2.25 ซม.² ซึ่งมีประสิทธิภาพประมาณ 19.7% แม้ว่าสิ่งนี้แสดงถึงการลดลงอย่างมากจากประสิทธิภาพของเซลล์ขนาดเล็ก- แต่ก็เป็นหลักฐานที่สนับสนุนว่าอินเทอร์เฟซและกลยุทธ์การติดต่อที่สำคัญสามารถปรับขนาดได้เกินกว่าการตั้งค่าในห้องปฏิบัติการ
หินก้าว ไม่ใช่จุดหมายปลายทางสุดท้าย
บางทีสิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดของการประกาศครั้งนี้ก็คือสิ่งที่แสดงให้เห็นเกี่ยวกับศักยภาพในอนาคต นักวิจัยของ HZB Guillermo Farias Basulto ตั้งข้อสังเกตว่า "ฟิสิกส์ที่เป็นรากฐานของสถาปัตยกรรมเซลล์ในปัจจุบันของเราบ่งชี้ว่า 25.5% เป็นเพียงก้าวแรกเท่านั้น" การทดสอบภายในองค์กรสำหรับการออกแบบที่คล้ายคลึงกัน-ได้รับประสิทธิภาพสูงสุดถึง 27.5% ซึ่งหมายความว่าแนวคิดอุปกรณ์พื้นฐานยังคงมีศักยภาพที่ยังไม่ได้นำไปใช้อย่างมาก
การวิจัยนี้ดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ "SOLMATES" ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสหภาพยุโรป-ซึ่งนำโดย HZB เพื่อสำรวจการบูรณาการของ CIGS และเทคโนโลยี perovskite บันทึกก่อนหน้าของ HZB ภายใต้โปรแกรมนี้อยู่ที่ 24.6% ทำให้การเพิ่มขึ้นเป็น 25.5% ถือเป็นการก้าวไปข้างหน้าอย่างมีความหมาย แม้ว่าจะเพิ่มขึ้นทีละน้อยก็ตาม
ผลกระทบต่ออุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์
ความสำเร็จนี้ถือเป็นความหมายที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แบบฟิล์มบาง-ของ CIGS จะมีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือเซลล์สุริยะแบบฟิล์มบาง-ทั่วไป เช่น มีความยืดหยุ่น สามารถทำงานได้ดีในสภาพที่มีแสงสว่างบางส่วน และมีต้นทุนการผลิตต่ำ ด้วยการรวมข้อดีของเซลล์ CIGS เข้ากับข้อดีของเซลล์ perovskite เซลล์ CIGS มีศักยภาพที่จะนำไปใช้สำหรับการใช้งานใหม่ๆ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นและ BIPV ซึ่งไม่สามารถใช้เซลล์ซิลิคอนได้
ผลการศึกษายังบ่งชี้ว่าเพอร์รอฟสไกต์-CIGS แทนเดมสามารถแข่งขันกับระบบแทนเดมที่ใช้ซิลิคอน- นอกจากจะสามารถผลิตโดยใช้ฟิล์มบางๆ เท่านั้นแล้ว ยังสามารถผลิตโดยใช้วัสดุที่มีขนาดเล็กกว่าหนึ่งไมโครเมตรได้อีกด้วย การออกแบบที่มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นเป็นพิเศษ-จะมอบโอกาสใหม่ๆ สำหรับการใช้งานเป็นการสร้าง-โซลูชันแบบครบวงจรหรือแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา
ถนนข้างหน้า
แม้ว่า 25.5% จะเป็นความสำเร็จที่น่าสังเกต แต่ขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีสำหรับ perovskite-CIGS ควบคู่เกิน 30% ช่องว่างระหว่างบันทึกปัจจุบันและเพดานทางทฤษฎีนี้แสดงให้เห็นว่าการปรับปรุงที่สำคัญยังคงเป็นไปได้ผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพคุณภาพวัสดุ วิศวกรรมส่วนต่อประสาน และการจัดการด้านแสงอย่างต่อเนื่อง แนวทางที่เป็นระบบของทีมเยอรมัน-ในการสำรวจช่องว่างหลายช่อง การผสมผสานเลเยอร์การขนส่ง และกลยุทธ์ทางวิศวกรรมการติดต่อ- ทำให้เกิดพิมพ์เขียวด้านระเบียบวิธีสำหรับความพยายามในอนาคต
ในขณะที่อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลกยังคงขยายตัวอย่างรวดเร็ว นวัตกรรมในเทคโนโลยีเซลล์ควบคู่จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการลดต้นทุนการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ความสำเร็จของนักวิจัยชาวเยอรมันในด้านประสิทธิภาพ 25.5% สำหรับเพอร์รอฟสไกต์-CIGS ตีคู่ไม่เพียงแต่แสดงถึงสถิติโลกใหม่เท่านั้น แต่ยังเป็นการแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ไม่ธรรมดาซึ่งอยู่ที่จุดตัดของระบบวัสดุที่น่าทึ่งทั้งสองนี้ ด้วยผลลัพธ์ภายใน-ที่บริษัทแนะนำไว้แล้วว่า 27.5% นั้นอยู่ใกล้แค่เอื้อม และด้วยขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ยังสูงกว่ามาก เส้นทางสู่ประสิทธิภาพพลังงานแสงอาทิตย์ที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างแท้จริงยังอีกยาวไกล
