A megújuló energiaforrások fejlesztése során a kutatók évtizedek óta keresik azt az anyagot, amely képes túlszárnyalni a hagyományos szilícium panelek fizikai korlátait. Úgy tűnik, a válasz a perovszkit: a Nankingi Egyetem tudósai és partnerintézményeik a közelmúltban olyan technológiai áttörést értek el, amely alapjaiban változtathatja meg a napenergia-ipart.

Egy speciális gyártási stratégiával sikerült orvosolni a monolitikus, háromrétegű perovszkit napelemek egyik legégetőbb hatékonysági problémáját, amivel új világrekordot állítottak fel ebben a kategóriában.

A perovszkitok szintetikus anyagok, amelyek legnagyobb előnye, hogy egymásra rétegezve a napspektrum jóval szélesebb tartományát képesek elnyelni, mint a jelenleg elterjedt technológiák. A fejlesztés során a kutatók brómban gazdag, úgynevezett „ultra-széles sávtiltású” (UWBG) rétegeket alkalmaztak a nagy energiájú fény befogására. A magas brómtartalom azonban eddig komoly nehézségeket okozott a gyártás során: az anyag felső része a kristályosodás közben gyorsabban száradt, mint az alsó, folyékony mag. Ez a folyamat ráncosodáshoz, repedésekhez és a kémiai összetevők szétválásához vezetett, ami jelentős energiaveszteséget és feszültségesést eredményezett.

Így oldják meg a perovszkit rétegek szerkezeti hibáit

A probléma megoldására a kutatócsoport kettős eljárást dolgozott ki, amely egyszerre simítja az anyag felületét és szabályozza a kristályképződést. Egy célzott oldószeres fürdő és oleil-ammónium-klorid adalékanyag segítségével elérték, hogy a bróm- és jódkomponensek azonos időben kristályosodjanak ki. Ez az eljárás megakadályozza a felület idő előtti megkeményedését, így a teljes anyagban szerkezetileg egységes réteg jön létre.

„Az így kapott UWBG perovszkit rétegek egységes felületi potenciált mutatnak, elnyomják a nem sugárzó rekombinációt, javítják a töltéshordozók mobilitását, és 1,46 voltos üresjárati feszültséget biztosítanak” – áll a kutatók Nature-ben publikált szakmai beszámolójában. A tanulmány rámutat, hogy az egyenetlen száradás kiküszöbölésével mindhárom fényelnyelő réteget sikerült optimalizálni, ezzel pedig maximális teljesítményt lehet elérni.

Hitelesített rekord és tartósság – Még könnyebb a napenergia kiaknázása

A monolitikus felépítés három, egymáshoz kapcsolt alcellából áll, amelyek mindegyike a napspektrum más-más részét hasznosítja. A felső réteg a nagy energiájú fényt, a középső a spektrumillesztést végzi, míg az alsó réteg a mély infravörös sugárzást nyeli el. A laboratóriumi mérések során a rendszer 30,1 százalékos energiaátalakítási hatásfokot mutatott, amelyet független mérésekkel 29,3 százalékon hitelesítettek.

Ez az érték kiemelkedőnek számít, különösen annak fényében, hogy a szakemberek szerint a jövőben a 35 százalékos hatékonyság elérése is teljesen reális cél.

A technológia nemcsak a hatékonyság, hanem a tartósság terén is jól vizsgázott. A tesztek során a napelemcella több mint 500 órán keresztül üzemelt folyamatosan, maximális teljesítményen, szimulált napsugárzás mellett. Ez idő alatt az eszköz megőrizte eredeti hatékonyságának több mint 90 százalékát, ami bizonyítja a szerkezeti integritás stabilitását.

A csapat következő célja a feszültségveszteségek további csökkentése és az eszköz méretének növelése, hogy a technológia alkalmas legyen a nagyobb méretű alkalmazásokhoz.

A perovszkit alapú napelemek egyik legnagyobb előnye, hogy nem igényelnek nehéz szilícium ostyákat. Ez a tulajdonság utat nyit az ultrakönnyű és rugalmas modulok előtt, amelyek a jövőben üzleti célú tetőszerkezeteken, viselhető elektronikai eszközökben, sőt, akár műholdakon is megjelenhetnek. A kutatók külön vizsgálni fogják az anyag sugárzás-, vákuum- és hőciklus-állóságát, hogy felmérjék az esetleges űrmissziókban való felhasználhatóságot is.