Naukowcy z Niemiec ustanowili nowy rekord sprawności tandemowych ogniw słonecznych. Opracowana przez nich konstrukcja przekształca 25,5 proc. energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.
Poza tym, co najważniejsze – osiągnięto ten wynik na ogniwie o powierzchni przekraczającej 1 cm². W świecie fotowoltaiki to granica, która decyduje o tym, czy technologia ma szansę wyjść z laboratorium i trafić do praktycznych zastosowań.
Badacze przekonują, że obecna konstrukcja nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa. Testy wskazują, że w przyszłości możliwe będzie osiągnięcie nawet 30-procentowej sprawności.
Rekord pobity na ogniwie większym niż 1 cm²
Za osiągnięciem stoją naukowcy z Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) oraz Humboldt-Universität zu Berlin. Nowe tandemowe ogniwo słoneczne uzyskało certyfikowaną sprawność 25,5 proc., poprawiając ubiegłoroczny rekord tego samego zespołu wynoszący 24,6 proc.
Sama wartość sprawności robi wrażenie, jednak dla specjalistów jeszcze ważniejszy jest rozmiar badanego ogniwa.
Nowa konstrukcja ma powierzchnię 1,081 cm². Choć wydaje się to niewiele, przekroczenie bariery 1 cm² ma ogromne znaczenie dla branży. Międzynarodowe zestawienia rekordów, takie jak prestiżowe Solar Cell Efficiency Tables, uwzględniają jedynie technologie sprawdzone na ogniwach większych niż 1 cm². Mniejsze próbki uznawane są głównie za eksperymenty laboratoryjne.
Dwie warstwy zamiast jednej
Sekretem wysokiej sprawności jest zastosowanie tzw. ogniwa tandemowego, które wykorzystuje dwa różne materiały półprzewodnikowe ułożone jeden na drugim.
Dolną warstwę stanowi cienkowarstwowy półprzewodnik CIGS (miedź, ind, gal i selen), natomiast na nim umieszczono warstwę perowskitu.
Oba materiały pochłaniają inne zakresy promieniowania słonecznego.
Warstwa perowskitu bardzo skutecznie wykorzystuje wysokoenergetyczne światło niebieskie. Promieniowanie o niższej energii przenika dalej i trafia do warstwy CIGS, która efektywnie zamienia światło czerwone oraz podczerwone na energię elektryczną.
Dzięki temu znacznie większa część energii słonecznej zostaje wykorzystana niż w klasycznych ogniwach krzemowych.
Inżynieria na poziomie pojedynczych atomów
Uzyskanie rekordowego wyniku wymagało niezwykle precyzyjnego projektowania całej struktury.
Zespół kierowany przez dr. Guillermo Fariasa Basulto zmodyfikował właściwości warstwy CIGS, dobierając różne wartości przerwy energetycznej półprzewodnika oraz eksperymentując z grubością warstw tlenku cynku domieszkowanego aluminium.
Równocześnie chemik Wuai Zhang opracował nowe powłoki atomowe ograniczające straty energii na granicach pomiędzy poszczególnymi warstwami ogniwa. Naukowcy bardzo precyzyjnie kontrolowali również osadzanie warstwy fulerenów (Buckminsterfullerene), które usprawniają transport elektronów wewnątrz urządzenia.
To właśnie połączenie wielu drobnych usprawnień pozwoliło przekroczyć dotychczasowy rekord sprawności.
Technologia już wychodzi z laboratorium
Jeszcze ważniejszym sygnałem jest to, że rozwiązanie udało się już powiększyć.
We współpracy z Berlin University of Applied Sciences (HTW Berlin) naukowcy stworzyli miniaturowy moduł fotowoltaiczny o powierzchni 2,25 cm², wykorzystujący identyczną architekturę materiałową.
Choć sprawność spadła do 19,7 proc., wynik ten pokazuje, że technologia zachowuje wysoką wydajność także podczas zwiększania rozmiarów urządzenia. To jeden z najważniejszych kroków na drodze do komercjalizacji.
Granica 30 proc. coraz bliżej
Zdaniem autorów projektu obecny rekord nie wyznacza możliwości tej technologii.
W testach laboratoryjnych podobne konstrukcje osiągały już sprawność 27,5 proc., a modele teoretyczne wskazują, że przekroczenie 30 proc. jest jak najbardziej realne.
Jeżeli uda się utrzymać tak wysoką wydajność również w dużych modułach produkowanych przemysłowo, tandemowe ogniwa z perowskitu i CIGS mogą stać się jedną z najważniejszych technologii nowej generacji w fotowoltaice.
Lżejsze, elastyczniejsze i bardziej uniwersalne
Oprócz wysokiej sprawności tandemowe ogniwa mają jeszcze jedną dużą zaletę.
Materiały CIGS i perowskity są cienkie, lekkie oraz elastyczne, dzięki czemu mogą być montowane tam, gdzie tradycyjne sztywne panele krzemowe nie mają zastosowania.
W przyszłości takie ogniwa mogłyby znaleźć się na zakrzywionych elewacjach budynków, w oknach produkujących energię elektryczną, a także na dachach samochodów, autobusów czy innych pojazdów.
Jeśli dalsze badania potwierdzą możliwość masowej produkcji przy zachowaniu wysokiej sprawności, rekord ustanowiony w Berlinie może okazać się jednym z najważniejszych kroków w rozwoju fotowoltaiki ostatnich lat.
Foto: DepositPhotos.