ทีมนักวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยหนานจิงอ้างว่ามีการพัฒนาที่โดดเด่นในเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ และร่วมมือกับ Renshine Solar ผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ โดยได้สร้างแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสกี้ขนาด 810 ตร.ซม. และมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า 24.0% ผลลัพธ์นี้ได้รับการยืนยันโดย TÜV SÜD และเป็นสถิติโลกในการสร้างโมดูลของ perovskites บนพื้นที่มากกว่า 800 ตร.ซม. การค้นพบนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร "Nature"
นอกเหนือจากห้องปฏิบัติการ: ความท้าทายด้านสเกล
เซลล์แสงอาทิตย์ของ Perovskite ทำให้นักวิจัยตื่นตาตื่นใจมาเป็นเวลานานด้วยประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว-จากเพียง 3.8% ในปี 2009 เป็นมากกว่า 25% ในอุปกรณ์ขนาดห้องปฏิบัติการ-ในปัจจุบัน แต่เส้นทางจากห้องแล็บเล็กๆ ไปสู่โมดูลขนาดใหญ่ที่ใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์กลับเต็มไปด้วยอุปสรรค เมื่ออุปกรณ์มีขนาดใหญ่ขึ้น ข้อบกพร่องก็ทวีคูณ การเคลือบไม่สม่ำเสมอ และมีประสิทธิภาพลดลง "ช่องว่างขนาด" นี้เป็นอุปสรรคสำคัญที่สุดประการเดียวในการจำหน่ายเพอร์รอฟสไกต์ในเชิงพาณิชย์
ในที่สุดทีมจากมหาวิทยาลัยหนานจิงก็ครอบคลุมระยะทางนี้สำเร็จ โมดูลของพวกเขามีขนาด 810 ซม. ²; เช่นเดียวกับกระดาษทั่วไป โดยมีประสิทธิภาพการบันทึกที่ 24.2% สำหรับโมดูลที่ทดสอบภายใต้สภาวะในห้องปฏิบัติการ ในขณะที่การรับรองอิสระยืนยันประสิทธิภาพที่ 24.0% นอกจากนี้ โมดูลยังแสดงแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด-ที่ 53.46 V กระแสไฟลัดวงจร-ที่ 0.436 A และแฟคเตอร์เติม 83.40% ในขณะที่การติดตามจุดกำลังสูงสุดทำงานอยู่ เอาต์พุตของโมดูลจะเสถียรที่ระดับ 19.4 W
สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่านั้นคือ ทีมงานได้สร้างโมดูล 150 โมดูลโดยมีพื้นที่รวม 0.72 ตร.ม.-ผลิตภัณฑ์ขนาด-มิเตอร์จริง- ซึ่งให้กำลังขับเฉลี่ย 144 W ผู้ที่ชนะเลิศในกลุ่มโมดูลเหล่านี้ได้รับการรับรองประสิทธิภาพ 22.0% และเอาต์พุต 158.4 W ซึ่งสร้างสถิติ-ประสิทธิภาพระดับมิเตอร์
ความก้าวหน้าทางเทคนิค: การคิดใหม่ในการสร้างพื้นผิว
อะไรทำให้ความสำเร็จนี้เกิดขึ้นได้? คำตอบอยู่ที่การคิดใหม่อย่างชาญฉลาดเกี่ยวกับการสร้างฟิล์มบนพื้นผิว-กระบวนการรักษาข้อบกพร่องที่ขอบเขตของชั้นเพอร์รอฟสไกต์ที่ดักจับประจุพาหะและเร่งการรวมตัวใหม่ ส่งผลให้แรงดันและกระแสที่อุปกรณ์สามารถดึงออกมาจากแสงแดดลดลง
การทำทู่แบบทั่วไปอาศัยแอมโมเนียมเฮไลด์ (AHP) ซึ่งทำงานได้ดีในห้องปฏิบัติการแต่กลับกลายเป็นปัญหาในวงกว้าง เมื่อรวมกับ-การเคลือบดาย-วิธีการสะสมแบบต่อเนื่องที่ใช้สำหรับ-การผลิตในพื้นที่ขนาดใหญ่-AHP มีแนวโน้มที่จะกระจายไม่สม่ำเสมอ ทำให้บางภูมิภาค-ได้รับการบำบัดมากเกินไป และบางภูมิภาคอยู่ภายใต้-พาสซีฟ นอกจากนี้ สารเหล่านี้ยังไวต่อความชื้น ซึ่งโดยทั่วไปแล้วบังคับให้ผู้ผลิตประมวลผลโมดูลมาตราส่วน-มิเตอร์ภายในบรรยากาศเฉื่อย ส่งผลให้อุปกรณ์มีความซับซ้อนและต้นทุนเพิ่มขึ้น
ทีมจีนใช้แนวทางที่แตกต่างโดยพื้นฐาน แทนที่จะพึ่งพาตัวพาสซิเวเตอร์เพื่อชดเชยพื้นผิวที่ไม่เอื้ออำนวย พวกเขาได้ออกแบบเคมีพื้นผิวของฟิล์มเพอรอฟสไกต์ก่อนอดทนมัน โดยใช้ระบบตัวทำละลายที่มีความดันไออิ่มตัวสูง พวกเขาควบคุมการตกผลึกของฟิล์มเพื่อสร้างพื้นผิวที่มีฟอร์มามิดิเนียมไอโอไดด์ (FAI) เสริมสมรรถนะตามธรรมชาติ จากนั้น พวกเขาปฏิบัติต่อพื้นผิวที่ได้รับการปรับแต่งด้วยลีดไดโอลีเอต-ลีดคาร์บอกซีเลต (LCP) ที่มีความเสถียรทางเคมี- แทนที่แอมโมเนียมเฮไลด์ทั่วไป
การค้นพบนี้เป็นการปฏิวัติ รังสีโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี-พิสูจน์ให้เห็นถึงการมีพันธะเคมีระหว่าง LCP และพื้นผิวที่มีความอุดมสมบูรณ์ของ FAI- ในขณะที่การวิเคราะห์โฟโตลูมิเนสเซนซ์แสดงให้เห็นว่าอายุการใช้งานของพาหะเพิ่มขึ้นจาก 264 นาโนวินาทีเป็น 706 นาโนวินาที ซึ่งหมายความว่าการดักจับพาหะลดลงอย่างมากและคุณภาพการสร้างฟิล์มดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ตรงกันข้ามกับฟิล์มที่บำบัดโดย AHP ซึ่งแสดงการสะสมและข้อบกพร่องที่ไม่สม่ำเสมอในระดับมหภาค การบำบัดด้วย LCP ส่งผลให้เกิดฟิล์มที่ไม่ชอบน้ำอย่างต่อเนื่อง โดดเด่นด้วยความต้านทานต่อความชื้น ความร้อน และรังสี UV ที่ดีขึ้น
ความทนทาน: ชิ้นส่วนที่หายไปของปริศนา
ประสิทธิภาพเป็นเพียงครึ่งเรื่องเท่านั้น เพื่อให้เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ใดๆ ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ได้ จะต้องทนทานต่อสภาพอากาศโลกที่แท้จริง-เป็นเวลาหลายทศวรรษ ในกรณีนี้ แนวทาง LCP ให้ผลลัพธ์ที่โดดเด่นไม่แพ้กัน
ในการทดสอบมาตรฐานของ International Electrotechnical Commission (IEC) โมดูลที่ได้รับ LCP- แสดงให้เห็นความยืดหยุ่นที่โดดเด่น หลังจากการสัมผัสกับความร้อนชื้น-เป็นเวลา 1,300 ชั่วโมง โมดูล LCP จะสูญเสียประสิทธิภาพเริ่มต้นเพียง 2%- เมื่อเปรียบเทียบกับ 39% สำหรับโมดูลที่ได้รับ AHP- หลังจากรอบการให้ความร้อน 300 รอบ การย่อยสลายไม่มีนัยสำคัญ หลังจากการติดตามจุดพลังงานสูงสุดเป็นเวลา 2,200 ชั่วโมง โมดูลจะรักษาประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้ได้ 96% พวกเขายังคงรักษาประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้ได้ 95% หลังจากการเสื่อมสภาพของรังสียูวี โมดูลที่ได้รับการปรับเปลี่ยน LCP ทั้งหมด-ผ่านการทดสอบความน่าเชื่อถือ IEC 61215 เต็มรูปแบบ- ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลที่ใช้เพื่อให้มีคุณสมบัติความทนทานของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ภาคพื้นดิน การตรวจสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าพลังงานจำเพาะที่ผลิตออกมานั้นเกินกว่าโมดูลซิลิคอน TOPCon
เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์
ความก้าวหน้าครั้งนี้มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่ออุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก
ประการแรก แสดงให้เห็นว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสกี้สามารถผลิตได้โดยใช้การประมวลผลอากาศโดยรอบ- แทนที่จะต้องใช้สภาพแวดล้อมเฉื่อยที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด ซึ่งจะช่วยขจัดอุปสรรคด้านต้นทุนที่สำคัญต่อ-การผลิตในระดับอุตสาหกรรม
ประการที่สอง แนวทางนี้เน้นถึงการ-สร้างฟิล์มเทียบกับ-การแลกเปลี่ยนการนำไฟฟ้า- ซึ่งจำกัดข้อดีมานานแล้วของการปิดกั้นชั้นการรักษา-ที่มีข้อบกพร่องเพียงอย่างเดียว ด้วยการระงับข้อบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์และปรับปรุงการขนส่งของผู้ให้บริการผ่านอินเทอร์เฟซ กลยุทธ์ LCP บรรลุสิ่งที่หลายคนคิดว่าเป็นไปไม่ได้: ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในขนาดที่ใหญ่ขึ้น
ประการที่สาม และที่สำคัญที่สุดคือ ความสำเร็จของทีม-ขนาด-แบบวัดด้วยโมดูล 150 ชิ้นที่ผลิตและทดสอบ-พิสูจน์ให้เห็นว่าเทคโนโลยีสามารถแปลจากเซลล์การวิจัยไปสู่-สถาปัตยกรรมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตได้ ดังที่นักวิจัยตั้งข้อสังเกต ผลลัพธ์ของพวกเขาแสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์การผลิตที่จับคู่เคมีพื้นผิวที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างจงใจกับ-ตัวพาสซิเวเตอร์ที่เข้ากันได้และสภาพแวดล้อมที่เสถียร- ซึ่งเป็นแนวทางที่สามารถช่วยปิดช่องว่างระหว่างเซลล์เพอร์รอฟสไกต์ในห้องปฏิบัติการที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพสูงสุดและโมดูลที่สร้างขึ้นโดยการเคลือบระดับอุตสาหกรรม-อย่างต่อเนื่อง
ถนนข้างหน้า
เหตุการณ์สำคัญด้านประสิทธิภาพ 24% สำหรับ-โมดูล perovskite ในพื้นที่ขนาดใหญ่ไม่ใช่จุดสิ้นสุด-แต่เป็นจุดอ้างอิง ผู้สังเกตการณ์ในอุตสาหกรรมทราบว่าด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง โมดูลเชิงพาณิชย์ขนาด 2–3 ตารางเมตรที่มีประสิทธิภาพ 26% ก็อยู่ไม่ไกลเกินเอื้อม ในขณะเดียวกัน โครงสร้างแบบคู่กันของ perovskite- และสถาปัตยกรรม-ของ perovskite แบบคู่กันทั้งหมดยังคงขยายขอบเขตออกไป โดยการกำหนดค่าบางอย่างมีประสิทธิภาพเกิน 26% ในระดับที่เล็กลงแล้ว
สิ่งที่ความร่วมมือของมหาวิทยาลัยหนานจิง-Renshine Solar ได้พิสูจน์แล้วก็คือแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสกี้ไม่ได้เป็นเพียงความอยากรู้อยากเห็นในห้องปฏิบัติการอีกต่อไป สิ่งเหล่านี้กำลังกลายเป็นความจริงที่สามารถผลิตได้ ทนทาน และมีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่โลกกำลังแข่งขันกันเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนในระบบพลังงาน ความก้าวหน้าครั้งนี้เป็นเครื่องเตือนใจอันทรงพลังว่าเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์รุ่นต่อไปนั้นอยู่ห่างออกไปอีกไม่กี่ทศวรรษ-ซึ่งกำลังถูกสร้างขึ้นในขณะนี้ ทีละรายการ
