Aktualnie, moduły fotowoltaiczne produkowane są głównie z krzemu. Jest to dobrze znany typ ogniwa, co oznacza również, że możliwości dalszego wzrostu jego wydajności są mocno ograniczone.
Ale bez obaw. W 2008 r. bowiem, naukowcy z HZB zainteresowali się nową klasą materiałów – perowskitami metalohalogenkowymi, czyli związkami półprzewodnikowymi, które doskonale radzą sobie z zamianą światła słonecznego w energię elektryczną i nadal oferują wiele możliwości ulepszeń, jeśli chodzi o wydajność.
W połączeniu z krzemowymi ogniwami tworzą one tandemowe ogniwa słoneczne charakteryzujące się większą wydajnością, niż klasyczne ogniwa krzemowe.
Tandemowe ogniwa dają więcej możliwości
Naukowcy z niemieckiego HZB od 2015 r. zajmują się udoskonalaniem technologii półprzewodników perowskitowych oraz łączeniem ich z ogniwami krzemowymi uzyskując tym samym coraz wydajniejsze tandemowe ogniwa słoneczne. W styczniu 2020 r. dzięki takiemu połączeniu udało się uzyskać rekordową wydajność, czyli 29,15 proc. Pod koniec tego samego roku, czyli w grudniu, rekord ten udało się poprawić do 29,52 proc. (rekord ustanowiła firma Oxford PV). Od tego czasu naukowcy starają się przebić magiczne 30 procent wydajności.
— 30-procentowa wydajność jest swojego rodzaju psychologicznym progiem dla tej fascynującej technologii, która może zrewolucjonizować przemysł fotowoltaiczny w niedalekiej przyszłości – wyjaśnia Steve Albrecht, który pracuje nad cienkimi foliami perowskitu w laboratorium HySPRINT w HZB.
Ostatnie badania, prowadzone przez kilka grup naukowców z HZB skupiły się na optycznym ulepszeniu dolnego ogniwa krzemowego z heterozłączem. W ramach badań dodano do niego nanoteksturowaną przednią stronę i specjalny dielektryczny odbłyśnik tylny. Dzięki tym zabiegom, Niemcom udało się pobić kolejny rekord, potwierdzony pomiarami przeprowadzonymi przez Fraunhofer ISE CalLab.
Czytaj również: Perowskit i panele słoneczne, to jedyne słuszne połączenie w dążeniu do zerowej emisji
— Nasze nowe krzemowe tandemowe ogniwa słoneczne z perowskitu uzyskały niezależny certyfikat potwierdzający ich rekordową wydajność na poziomie 29,80 proc. – mówi Christiane Becker, ekspert od nanostruktur w ogniwach słonecznych i ich wpływu na optykę oraz właściwości elektryczne.
Wystarczyło kilka drobnych ulepszeń, żeby pobić rekord
W ramach nowej pracy dr Philipp Tockhorn (z grupy kierowanej przez doktora Albrechta) i doktorant Johannes Sutter (grupa dr Becker) zbadali, w jaki sposób nanostruktury umieszczone na różnych powierzchniach styku wpływają na wydajność tandemowego ogniwa słonecznego, składającego się z ogniwa słonecznego z perowskitu na szczycie krzemowego ogniwa.
Czytaj również: Padł kolejny rekord. Stworzono „prawdziwe” dwupłaszczyznowe ogniwo słoneczne
W pierwszym etapie swoich testów, zdecydowali się na wykorzystanie symulacji komputerowej do obliczenia gęstości fotoprądu w podogniwach perowskitu i krzemu dla różnych geometrii z nanoteksturami i bez nich.
Następnie wyprodukowali tandemowe ogniwa słoneczne z perowskitu krzemowego z najbardziej obiecującymi według symulacji nanostrukturami:
— Nawet jednostronne nanoteksturowanie poprawia absorpcję światła i umożliwia uzyskanie wyższego napięcia fotoelektrycznego w porównaniu z płaskim wzorcem mówi Sutter.
Oprócz nanostruktur, niemieccy naukowcy zajęli się również ulepszeniem dolnej strony tandemowego ogniwa, projektując ją w ten sposób, aby odbijała ona światło podczerwone z powrotem do krzemowego ogniwa.
— Dzięki zastosowaniu odbłyśnika dielektrycznego byliśmy w stanie wykorzystać tę część światła słonecznego bardziej efektywnie, co skutkuje wyższym prądem fotoelektrycznym – mówi dr Alexandros Cruz Bournazou (grupa Stannowskiego).
Powyższe ulepszenia pozwoliły pobić dotychczasowy rekord wydajności. Naukowcy z HZB twierdzą jednak, że nie jest to koniec możliwości tego rodzaju tandemowych ogniw. Tworzone przez nich symulacje komputerowe sugerują, że wydajność można by jeszcze bardziej zwiększyć chociażby przez nanostrukturyzację warstw absorbera po obu stronach – zabieg ten powinien pozwolić na przebicie magicznej bariery 30 proc. wydajności. Biorąc pod uwagę obecne tempo prac, o kolejnym rekordzie powinniśmy usłyszeć w przyszłym roku.
