Ένα ακόμη σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη αποδοτικότερων φωτοβολταϊκών συστημάτων πραγματοποίησαν επιστήμονες του Πανεπιστημίου Nanjing στην Κίνα, κατασκευάζοντας μια διαδοχική ηλιακή κυψέλη περοβσκίτη–οργανικού υλικού με απόδοση μετατροπής ενέργειας 27,35%.
Η επίδοση αποτελεί νέο εργαστηριακό ρεκόρ για τη συγκεκριμένη κατηγορία φωτοβολταϊκών, ενώ η πιστοποιημένη απόδοση της κυψέλης διαμορφώθηκε στο 26,88% —το υψηλότερο επαληθευμένο ποσοστό που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα για tandem κυψέλη περοβσκίτη–οργανικού υλικού.
Η τεχνολογία των tandem φωτοβολταϊκών βασίζεται στην τοποθέτηση δύο διαφορετικών ηλιακών κυψελών σε μία ενιαία διάταξη. Κάθε στρώμα απορροφά διαφορετικό τμήμα του ηλιακού φάσματος, επιτρέποντας την καλύτερη αξιοποίηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης σε σχέση με τις συμβατικές κυψέλες ενός ενεργού στρώματος.
Στη διάταξη που ανέπτυξαν οι Κινέζοι ερευνητές, η ανώτερη κυψέλη περοβσκίτη συλλέγει τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας, ενώ η κατώτερη οργανική κυψέλη αξιοποιεί μεγαλύτερο μέρος της ακτινοβολίας στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα.
Η καινοτομία που οδήγησε στο ρεκόρ
Βασικό εμπόδιο για την περαιτέρω αύξηση της απόδοσης των κυψελών περοβσκίτη–οργανικού υλικού αποτελεί μέχρι σήμερα η ανισορροπία του παραγόμενου φωτορεύματος μεταξύ των δύο υποκυψελών. Η οργανική κυψέλη χαμηλού ενεργειακού χάσματος παράγει συνήθως μικρότερη πυκνότητα φωτορεύματος από την ανώτερη κυψέλη περοβσκίτη.
Σύμφωνα με τον επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, Qingdong Zheng, η διαφορά οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην αλληλοεπικάλυψη των φασμάτων απορρόφησης των δύο κυψελών κοντά στο όριο απορρόφησης του στρώματος περοβσκίτη.
Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι επιστήμονες σχεδίασαν έναν νέο μη φουλερενικό αποδέκτη ηλεκτρονίων, τον Zh-F, με οπτικό ενεργειακό χάσμα 1,23 ηλεκτρονιοβόλτ. Η μοριακή δομή του επιτρέπει στην οργανική κυψέλη να απορροφά περισσότερο φως στο εγγύς υπέρυθρο τμήμα του φάσματος, περιορίζοντας παράλληλα τις απώλειες τάσης.
Ο Zh-F συνδυάστηκε με τον αποδέκτη BTP-eC9 και τον πολυμερή δότη PM6, δημιουργώντας μια τριμερή οργανική ετεροεπαφή. Ο συγκεκριμένος συνδυασμός προσέφερε συμπληρωματική απορρόφηση του φωτός, καλύτερη μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων και αποτελεσματικότερο διαχωρισμό των διεγερμένων καταστάσεων.
Η οργανική κυψέλη από μόνη της εμφάνισε απόδοση 19,84%, τάση ανοικτού κυκλώματος 0,853 V και πυκνότητα ρεύματος βραχυκύκλωσης 29 mA ανά τετραγωνικό εκατοστό. Οι απώλειες τάσης περιορίστηκαν στα 0,510 V.
Πώς είναι κατασκευασμένη η κυψέλη
Η οργανική υποκυψέλη συνδυάστηκε με μία ανώτερη κυψέλη περοβσκίτη, η οποία πέτυχε απόδοση 19,45%, τάση ανοικτού κυκλώματος 1,32 V και συντελεστή πλήρωσης 83,65%.
Η τελική μονολιθική διάταξη δύο ακροδεκτών κατασκευάστηκε επάνω σε γυάλινο υπόστρωμα με οξείδιο ινδίου–κασσιτέρου. Μεταξύ των δύο ενεργών κυψελών τοποθετήθηκε ένα ενδιάμεσο στρώμα επανασύνδεσης, το οποίο εξασφαλίζει την ηλεκτρική τους σύζευξη.
Υπό τις τυπικές εργαστηριακές συνθήκες φωτισμού, η ολοκληρωμένη tandem κυψέλη κατέγραψε:
- απόδοση μετατροπής ενέργειας 27,35%,
- τάση ανοικτού κυκλώματος 2,16 V,
- πυκνότητα ρεύματος βραχυκύκλωσης 15,35 mA/cm²,
- συντελεστή πλήρωσης 82,39%.
Για λόγους σύγκρισης, αντίστοιχη διάταξη που κατασκευάστηκε με συμβατικό αποδέκτη περιορίστηκε σε απόδοση 25,69%. Η χρήση του νέου Zh-F προσέθεσε, επομένως, περίπου 1,7 ποσοστιαίες μονάδες στην εργαστηριακή απόδοση.
Το κρίσιμο στοίχημα της ανθεκτικότητας
Ιδιαίτερη σημασία έχει και η επίδοση της κυψέλης ως προς τη διάρκεια ζωής της. Η μη ενθυλακωμένη συσκευή διατήρησε το 80% της αρχικής της απόδοσης έπειτα από περίπου 744 ώρες συνεχούς έκθεσης σε φωτισμό έντασης ενός ήλιου.
Το αποτέλεσμα θεωρείται ενθαρρυντικό, καθώς η σταθερότητα αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια για την εμπορική αξιοποίηση των φωτοβολταϊκών περοβσκίτη και των οργανικών ηλιακών κυψελών. Ωστόσο, οι περίπου 31 ημέρες συνεχούς λειτουργίας παραμένουν πολύ μακριά από τις πολυετείς εγγυήσεις απόδοσης που παρέχουν σήμερα τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πυριτίου.
Αυτό σημαίνει ότι το κινεζικό επίτευγμα δεν ισοδυναμεί ακόμη με άμεσα εμπορεύσιμο προϊόν. Αποδεικνύει, όμως, ότι η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική μπορεί να συνδυάσει υψηλή απόδοση με σταδιακά βελτιούμενη σταθερότητα.
Η κούρσα των φωτοβολταϊκών επόμενης γενιάς
Η νέα επίδοση ξεπερνά το 26,4% που είχαν ανακοινώσει τον Ιούνιο του 2025 ερευνητές του Solar Energy Research Institute of Singapore για tandem κυψέλη παρόμοιας διαμόρφωσης.
Τα αποτελέσματα της ομάδας του Πανεπιστημίου Nanjing παρουσιάστηκαν στην επιστημονική επιθεώρηση Joule, στη μελέτη με τίτλο «Achieving 27.35% efficiency in perovskite-organic tandem solar cells by improving near-infrared absorption with a low-band-gap acceptor».
Η πρόοδος δείχνει ότι η επόμενη μεγάλη μάχη στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία δεν αφορά μόνο την αύξηση της απόδοσης ενός μεμονωμένου υλικού, αλλά τον έξυπνο συνδυασμό υλικών που αξιοποιούν διαφορετικές περιοχές του ηλιακού φάσματος.
Εφόσον οι ερευνητές καταφέρουν να μεταφέρουν τις εργαστηριακές επιδόσεις σε κυψέλες μεγάλης επιφάνειας, να μειώσουν το κόστος παραγωγής και να εξασφαλίσουν πολυετή αντοχή σε πραγματικές συνθήκες, οι tandem κυψέλες περοβσκίτη–οργανικού υλικού θα μπορούσαν να αποτελέσουν μία από τις πλέον υποσχόμενες τεχνολογίες της επόμενης γενιάς φωτοβολταϊκών.
