Αξιοποιώντας έναν καινοτόμο αποδέκτη χαμηλού ενεργειακού διακένου (LBG), επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Ναντζίνγκ στη Κίνα, κατασκεύασαν διαδοχικά (tandem) ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη-οργανικών ενώσεων. Σύμφωνα με δημοσίευμα του PV Magazine, το νέο σύστημα ενισχύει τη συλλογή φωτός στο εγγύς υπέρυθρο και βελτιστοποιεί την προσαρμογή του φωτορεύματος, επιτυγχάνοντας απόδοση της τάξης του 27,35%, ενώ διατηρεί το 80% της αρχικής του δυναμικής έπειτα από 744 ώρες συνεχούς φωτισμού.
Ειδικότερα, η κατασκευή περιλαμβάνει ένα κατώτερο οργανικό υποκύτταρο το οποίο χρησιμοποιεί τον αποδέκτη LBG για να αυξήσει την απορρόφηση στο εγγύς υπέρυθρο (NIR), μειώνοντας ταυτόχρονα τις απώλειες τάσης.
«Ένας βασικός παράγοντας που περιορίζει την απόδοση των διαδοχικών ηλιακών κυττάρων περοβσκίτη-οργανικών ενώσεων είναι η σχετικά χαμηλή πυκνότητα φωτορεύματος που παράγεται από τα οργανικά υποκύτταρα LBG σε σύγκριση με τα αντίστοιχα περοβσκίτη ευρέος ενεργειακού διακένου (WBG)», ανέφερε στο pv magazine ο επικεφαλής συγγραφέας, Qingdong Zheng. Όπως υπογράμμισε ο ίδιος, «αυτή η ανισορροπία προέρχεται κυρίως από τη σημαντική επικάλυψη μεταξύ των φασμάτων εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE) των δύο υποκυττάρων. Επομένως, η ανάπτυξη αποδεκτών εγγύς υπέρυθρου υψηλής απόδοσης είναι απαραίτητη για την ελαχιστοποίηση της φασματικής επικάλυψης, τη βελτίωση της αντιστοίχισης του φωτορεύματος και τελικά την ενίσχυση της απόδοσης της συσκευής».
Προηγούμενες μελέτες είχαν χρησιμοποιήσει διάφορους αποδέκτες χωρίς φουλερένιο (NFAs) για την ενίσχυση της απορρόφησης NIR, επιτρέποντας στις συσκευές να πετύχουν πιστοποιημένες αποδόσεις μετατροπής ισχύος από 22,0% έως 26,4%.
Για την περαιτέρω αύξηση της απόδοσης, οι επιστήμονες συνέθεσαν έναν νέο αποδέκτη NFA, ονομαζόμενο Zh-F, με οπτικό ενεργειακό διάκενο 1,23 eV, ο οποίος φέρει έναν ισχυρά ηλεκτρονιοδοτικό πυρήνα ετεροεπτακενίου. Ο εν λόγω αποδέκτης συνδυάστηκε με τον υψηλής απόδοσης NFA BTP-eC9 (της σειράς Y) και τον πολυμερικό δότη PM6, δημιουργώντας μια τριτοταγή ετεροεπαφή. Το αποτέλεσμα ήταν το οργανικό ηλιακό κύτταρο (PM6:BTP-eC9:Zh-F) να πετύχει απόδοση μετατροπής 19,84%, τάση ανοιχτού κυκλώματος 0,853 V, πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος 29,00 mA cm⁻² και χαμηλή απώλεια τάσης 0,510 V.
«Η ενσωμάτωση του Zh-F στο σύστημα PM6 ενισχύει ταυτόχρονα τη συλλογή φωτονίων NIR, τη μεταφορά φορτίου, τον διαχωρισμό εξιτονίων και τη δυναμική επανασύνδεσης, ενώ περιορίζει την απώλεια τάσης», σημείωσε ο Zheng.
Σε επίπεδο αρχιτεκτονικής, το οργανικό κύτταρο συνδυάστηκε με ένα ανώτερο κύτταρο περοβσκίτη (απόδοση 19,45%, τάση 1,32 V, πυκνότητα ρεύματος 17,63 mA cm⁻² και συντελεστή πλήρωσης 83,65%), εγκατεστημένα σε υπόστρωμα γυαλιού και οξειδίου ινδίου-κασσιτέρου (ITO). Το άνω τμήμα περιλαμβάνει στρώμα μεταφοράς οπών (HTL) οξειδίου του νικελίου (NiOₓ), αυτοσυναρμολογούμενο μονοστρώμα (SAM) Ph-4PACz και στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων (ETL) βακμινστερφουλερενίου (C₆₀). Ένα ενδιάμεσο στρώμα επανασύνδεσης συζεύγνυει ηλεκτρικά τα δύο τμήματα, με το οργανικό κύτταρο να ενσωματώνει στρώμα Ph-2PACz, ETL βασισμένο σε PDIP και μεταλλική επαφή αργύρου (Ag).
Υπό τυπικές συνθήκες φωτισμού, η συνολική (tandem) συσκευή άγγιξε απόδοση 27,35%, τάση 2,16 V, πυκνότητα 15,35 mA cm⁻² και συντελεστή πλήρωσης 82,39%, τη στιγμή που αντίστοιχη συσκευή αναφοράς περιορίστηκε στο 25,69%. «Το κύτταρο πέτυχε πιστοποιημένη απόδοση 26,88%, σημειώνοντας την υψηλότερη επιβεβαιωμένη απόδοση που έχει αναφερθεί ποτέ για διαδοχικό ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη-οργανικού υλικού», υπογράμμισε ο Zheng, προσθέτοντας ότι η μη ενθυλακωμένη συσκευή επέδειξε υψηλή σταθερότητα, διατηρώντας το 80% της απόδοσής της μετά από σχεδόν 744 ώρες.
Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Joule. Υπενθυμίζεται ότι τον Ιούνιο του 2025, επιστήμονες του SERIS (Solar Energy Research Institute of Singapore) είχαν ανακοινώσει απόδοση 26,4% για συσκευή αντίστοιχης διαμόρφωσης.
Διαβάστε ακόμη
