'Çığır açan' perovskit-silikon tandem güneş hücresi: Yüzde 34 verimliliğe ulaştı

Çin merkezli Soochow Üniversitesi ile LONGi Merkezi Ar-Ge Enstitüsü araştırmacıları, perovskit/silikon tandem güneş hücrelerinde verimlilik ve voltaj kayıplarını azaltmaya yönelik yeni bir arayüz tasarımı geliştirdi. Zirkonya nanoparçacıklarının kullanıldığı hücrede bağımsız kurumlarca doğrulanan 2,014voltluk açık devre voltajına ulaşıldı. 

Laboratuvar testlerinde yüzde 34,0 güç dönüşüm verimliliği elde edilirken, kararlı durum ölçümlerinde verimlilik yüzde 33,5 olarak kaydedildi. Silikon taban üzerine perovskit üst katman yerleştiren tandem mimari, güneş spektrumunun daha geniş bölümünden yararlanmayı amaçlıyor.

NANO ARAYÜZ

Tandem hücrelerde temel sorunlardan biri, dokulu silikon yüzey üzerine düzgün ve boşluksuz bir perovskit tabakası oluşturmak. Pürüzlü yüzey, özellikle yük taşıma arayüzlerinde kayıplara neden olabiliyor. 'Işınımsal olmayan rekombinasyon' olarak tanımlanan bu enerji kaybını azaltmak için kullanılan geleneksel yalıtım yöntemleri ise elektrik akışını yavaşlatabiliyor.

Araştırma ekibi bu sorunu çözmek amacıyla iletken oksit tabakası ile moleküler tek katman arasına monoklinik zirkonya (ZrO2) nanoparçacıkları yerleştirdi.

ZİRKONYA ETKİSİ

Nanoparçacıkların oluşturduğu ultra ince iskelet, sıvı perovskit çözeltisinin yüzeye daha homojen biçimde yayılmasına yardımcı oldu ve boşluksuz film oluşumunu destekledi. Yüksek dielektrik sabitine sahip zirkonya parçacıkları aynı zamanda elektriksel dalgalanmaların etkisini azaltarak yük taşıyıcılarının ömrünü uzattı.

Ölçümlerde taşıyıcı ömrü 1,46 mikrosaniyeden 2,81 mikrosaniyeye çıktı. Bu yapı, arayüzdeki enerji kayıplarının azaltılmasıyla birlikte perovskit ve silikon katmanların daha verimli çalışmasını sağladı.

YÜZDE 34 VERİM

En yüksek performans gösteren hücrede 1,997 volt açık devre voltajı, santimetrekare başına 20,36 miliamper akım yoğunluğu ve yüzde 83,62 doluluk faktörü ölçüldü. Bu değerlerle hücre yüzde 34,0 güç dönüşüm verimliliğine ulaştı. Kararlı durum testlerinde ise yüzde 33,5 verimlilik elde edildi.

Çalışmada ulaşılan 2,014 voltluk açık devre voltajı değeri, tandem hücre mimarisindeki voltaj kayıplarının azaltılmasında zirkonya tabanlı arayüz tasarımının etkisini ortaya koydu.

2 BİN SAAT

Hücrenin performansı yalnızca ilk verimlilik ölçümleriyle sınırlı kalmadı. Kapsüllenmiş tandem hücre, oda sıcaklığında ve kesintisiz simüle edilmiş güneş ışığı altında 2.000 saat boyunca dayanıklılık testine tabi tutuldu. Test sonunda hücre başlangıçtaki verimlilik kapasitesinin yüzde 84’ünü korudu.

Bu sonuç, perovskit tabanlı yapılarda en önemli sorunlardan biri olan uzun süreli kararlılık açısından da yeni arayüz tasarımının sağladığı kazanımları gösterdi.

TANDEM HEDEFİ

Prof. Jiang Liu, Prof. Xiaohong Zhang, Dr. Hongbo Mo ve Dr. Bo He liderliğinde yürütülen çalışma, perovskit/silikon tandem hücrelerde nano ölçekli arayüz mühendisliğinin performans üzerindeki etkisine odaklanıyor.

Zirkonya nanoparçacıklarının hem film oluşumunu iyileştirmesi hem de taşıyıcı ömrünü artırması, daha verimli ve dayanıklı tandem hücrelerin geliştirilmesine yönelik yeni bir yaklaşım sunuyor. Araştırma ekibi, bu yapının ilerleyen aşamalarda daha büyük ölçekli ve ticari güneş hücresi üretimine uyarlanmasını hedefliyor.