حقق فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور أنيتا هو-بيلي، رئيس قسم جون هوك لعلوم النانو في جامعة سيدني بأستراليا، رقمًا قياسيًا جديدًا في مجال تكنولوجيا الطاقة الشمسية لأكبر خلية شمسية ثلاثية-بيروفسكايت-بيروفسكايت-سيليكون ترادفية في العالم.
بهم 16 سم2تتميز خلية الوصلات- الثلاثية بكفاءة-ثابتة في تحويل الطاقة بنسبة 23.3% (معتمدة بشكل مستقل)، وهي أعلى نسبة تم الإبلاغ عنها بالنسبة لجهاز ذو مساحة كبيرة-من نوعه. قام فريقها أيضًا بإنشاء 1 سم2خلية بكفاءة 27.06%، والتي وضعت معايير جديدة للاستقرار الحراري (انظر الفيديو).
الدافع وراء تحقيق مكاسب في الكفاءة هو "مساحة أكبر لكفاءة تحويل الطاقة-لأن الحد النظري للكفاءة للوصلة الثلاثية هو ~51%، بينما يصل إلى 45% تقريبًا للوصلة المزدوجة،" كما يقول هو-بايلي، المنتسب أيضًا إلى معهد Net Zero بجامعة سيدني. "الوصلة الواحدة تكون 33% إذا لم تكن فجوة نطاق الخلية الشمسية مقيدة، ولكن 30% فقط للسيليكون."
تشتمل الخلايا الشمسية الترادفية متعددة الوصلات على تكديس الخلايا الشمسية بفجوات نطاق مختلفة- بحيث يكون أعلىها على الجانب المواجه للشمس-للسماح لكل خلية بتحويل أقسام من الطيف الشمسي إلى طاقة كهربائية بشكل أكثر كفاءة وتقليل فجوة النطاق الفرعية- وفقدان الحرارة.
"في خلية الوصلات-، على سبيل المثال، تعمل الوصلة ذات فجوة النطاق العلوية-العريضة على تحويل طاقة الفوتون الأعلى إلى طاقة كهربائية وتقوم بذلك بشكل أكثر كفاءة من الوصلة ذات فجوة الحزمة الأضيق-مما يقلل من فقدان الحرارة،" يوضح هو-بايلي. "يمر الفوتون ذو الطاقة - السفلي عبر الوصلة العلوية ذات فجوة النطاق العريضة - وسيتم امتصاصه بواسطة الوصلة السفلية ذات فجوة الحزمة الأضيق لتحويل الطاقة الكهربائية. إذا لم تكن الوصلة السفلية موجودة، فإن فوتونات الطاقة المنخفضة - هذه تؤدي إلى فقدان عدم امتصاص فجوة الحزمة- الفرعية."
التصاميم البصرية
لتوضيح التصاميم البصرية المعنية، تم ربط الوصلتين العلويتين من البيروفسكايت معًا كهربائيًا من خلال جسيمات الذهب النانوية. "لقد استخدمنا النمذجة البصرية لمحاكاة تأثير تغطية الجسيمات النانوية على الفقد البصري، والنمذجة الكهربائية لمحاكاة الاتصال الأومي الذي يحدثه الجسيمات النانوية،" يوضح هو - بيلي. "يتم تحقيق التوازن عند وجود عدد كاف من الجسيمات النانوية للحد الأدنى من الخسارة البصرية دون المساس بالأداء الكهربائي."
تقول بيلي: "لقد قام فريق هو- أيضًا بتحسين استقرار وأداء وصلة البيروفسكايت ذات فجوة النطاق الواسعة (1.91-eV) عن طريق "استبدال الروبيديوم بميثيل الأمونيوم الأقل استقرارًا في البيروفسكايت واستبدال البيبرازينيوم ثنائي كلوريد (PDCI) بفلوريد الليثيوم الأقل استقرارًا كطبقة تخميل سطحية".
لقد أتى إصرار هو-على رغبته في تصور الذهب فائق النحافة بثماره بالفعل. وتقول: "يجب أن تكون هناك كمية حرجة من الذهب حتى تتشكل التجمعات لتصبح في البداية فيلمًا شبه مستمر". "سيؤدي المزيد من الذهب إلى نمو طبقة مستمرة. وتحت الكمية الحرجة "للعنقود"، سيكون الذهب على شكل جسيمات نانوية. ما يجعل النتائج التي توصلنا إليها مثيرة للاهتمام هو أن الأفلام-المستمرة أو غير المستمرة-ليست ضرورية لربط تقاطعين. الجسيمات النانوية، على الرغم من عزلتها، كافية للاتصال الأومي بين الوصلات لنقل الموجة الحاملة العمودية-مع تقليل الخسائر البصرية."
ماذا يعني سجل الكفاءة هذا بالنسبة للمجال؟ يقول هو-بايلي: "يوفر العرض التوضيحي الذي نقدمه رؤى حول خصائص المواد المهمة لتحسين الكفاءة في المستقبل". "يوفر تحليل الخسارة أيضًا توصيات لتحسين الكفاءة في المستقبل-لكل من الأجهزة ذات المنطقة الصغيرة- والكبيرة-. الخطوة التالية: وصلة ثلاثية بنسبة 30%، مما يدفع نحو 40%."
وشارك في عمل الفريق شركاء من الصين وألمانيا وسلوفينيا، وتلقى الدعم من الوكالة الأسترالية للطاقة المتجددة ومجلس البحوث الأسترالي.
