Влияние прозрачных проводящих электродов на эффективность тандемных солнечных элементов на основе перовскита и кремния
Батарея Challenger EVG6-335
Исследователь из Оксфорда обнаружил, что прозрачные проводящие электроды могут снизить эффективность тандемных солнечных элементов на основе перовскита и кремния более чем на 2 % из-за потерь, связанных с электрическим сопротивлением, оптическими эффектами и геометрическими компромиссами. Используя единую оптико-электрическую модель, учёный показал, насколько важна тщательная оптимизация стопок прозрачных проводящих электродов, покрытий и конструкции элементов для достижения эффективности в 37–38 %.
Тандемные ячейки на основе перовскита HJT в производстве на заводе Oxford PV в Бранденбурге, Германия.
Исследователь из Оксфордского университета изучил влияние прозрачных проводящих электродов (ППЭ) на эффективность тандемных солнечных элементов на основе перовскита и кремния и обнаружил, что они могут значительно снизить эффективность устройства.
Ожидается, что тандемные ячейки сыграют решающую роль в преодолении оставшегося разрыва между сегодняшней эффективностью в 34 % и ожидаемым пределом эффективности в 37–38 %.
«Наше исследование представляет собой первую попытку количественной оценки этих потерь в тандемных фотоэлектрических системах. Оно показывает, что производительность даже самых лучших тандемных систем может снизиться более чем на 2,5 % из-за эффектов, связанных с TCE», — рассказал ведущий автор исследования Себастьян Бонилья. «Эти данные крайне важны для производителей и исследователей, стремящихся масштабировать тандемные системы от лабораторных ячеек до коммерческих модулей».
«Использование прозрачных проводящих электродов (ППЭ), которые часто считаются идеальными, может привести к возникновению электрического сопротивления и оптических потерь, что значительно снижает реальную эффективность тандемных модулей, — продолжил он. — Их практическое применение по-прежнему сопряжено с недооценёнными трудностями.»
В статье «Влияние прозрачных проводящих электродов на эффективность тандемных солнечных элементов», опубликованной в Joule, Бонилья объяснил, что современные методы оптического моделирования не позволяют количественно оценить поперечное сопротивление прозрачных проводящих электродов, особенно в конфигурациях с двусторонним или фронтальным освещением. Более того, геометрическая взаимозависимость между сопротивлением слоя прозрачного проводящего электрода, расстоянием между контактами и затенением металлом приводит к компромиссам, которые в корне ограничивают выходную мощность, но редко учитываются при практических расчетах эффективности.
Помня об этом, Бонилья разработал единую оптико-электрическую модель, учитывающую эти факторы в двухтоковых тандемных солнечных элементах на основе перовскита и кремния. Для оценки потенциальных потерь при передаче были рассмотрены различные стопки TCE, а также антибликовые покрытия, напыляемые буферные слои и оптимизированное расстояние между контактами.
С помощью PySpice, фреймворка для моделирования электронных схем на основе Python, учёный реализовал модель схемы, которая позволяет гибко изменять параметры свойств материалов, включая плотность тока насыщения, параметры рекомбинационного диода и резистивные потери. «Эта модель подходит для любых двух солнечных поглотителей, но я применяю её к тандемным ячейкам на основе перовскита и кремния из-за их зрелости и коммерческой значимости», — сказал Бонилья.
Анализ показал, что тандемные устройства с одним TCE могут терять в эффективности до 2 %. Однако в тандемных элементах обычно используются TCE в средней и задней части, что ещё больше снижает производительность. Эти потери, по словам Бониллы, согласуются с результатами экспериментов, которые показывают, что незначительные изменения в процессе осаждения оксида индия и олова (ITO), в антибликовых покрытиях или в барьерных слоях, нанесённых методом атомно-слоевого осаждения, напрямую приводят к заметному повышению производительности современных тандемных элементов.
«Эти данные крайне важны для производителей и исследователей, стремящихся масштабировать тандемы от лабораторных ячеек до коммерческих модулей», — заключила Бонилья. «Полученные результаты также указывают на возможности для внедрения инноваций в области материалов и совместной оптимизации конструкции, чтобы будущие высокоэффективные тандемы полностью раскрывали свой потенциал в реальных условиях».