Fotowoltaika przejadła się krzemem. Nadszedł czas na cienką warstwę, liczącą fotony podwójnie
Krzem, od dziesięcioleci będący podstawą energetyki słonecznej, zbliżył się do swoich realnych ograniczeń. Najlepsze komercyjne moduły osiągają dziś około 23-25 procent, a rekordowe duże ogniwa krzemowe w laboratorium około 26,8 procent, podczas gdy realistyczny limit dla pojedynczego złącza krzemowego (tzw. limit Augera) wynosi około 29,4 procent. Reszta energii po prostu się marnuje, zamieniając się w ciepło, które ogrzewa panele i dachy, zamiast zasilać nasze domy. Na szczęście sytuacja może się wkrótce zmienić.
Czytaj też: Polscy badacze chcą dokonać przełomu. Co rodzi się w Gdyni?
Zespół naukowców z University of New South Wales (UNSW) w Sydney opracował metodę, dzięki której pojedyncza porcja energii świetlnej może dać dwa użyteczne stany wzbudzenia zamiast jednego. Jeśli technologia się sprawdzi w praktyce, to architektury ogniw wykorzystujące ten efekt mogą docelowo otworzyć drogę do około 45 procent sprawności. Na krótszym dystansie cel jest skromniejszy, ale znacznie bliższy rynku – stabilne przekroczenie 30 procent przy niewielkiej modyfikacji klasycznych linii krzemowych. Kilka dużych firm branżowych deklaruje zainteresowanie i śledzi postępy, co na tym etapie oznacza pilotażowe współprace, a nie gotowe wdrożenia. Jak to działa w praktyce?
Jeden foton, dwa ładunki. Prosty zabieg, który wywróci fotowoltaikę do góry nogami
Podstawowy problem konwencjonalnych ogniw krzemowych polega na ich niezdolności do pełnego wykorzystania energii niesionej przez różne kolory światła. Jak wyjaśniają specjaliści, niebieskie światło zawiera znacznie więcej energii niż czerwone, jednak standardowe ogniwa nie potrafią jej efektywnie wykorzystać. Profesor Tim Schmidt z UNSW precyzuje to zjawisko:
Niebieskie światło ma więcej energii, ale większość z niej jest tracona jako ciepło w zwykłym ogniwie słonecznym. Dzięki rozszczepieniu singletowemu ta nadmiarowa energia może zostać przekształcona w użyteczną energię elektryczną. – Tim Schmidt, kierownik Szkoły Chemii UNSW.
Czytaj też: 500 watogodzin na kilogram to dopiero początek. Nowa metoda produkcji akumulatorów wstrząśnie branżą
Dlatego właśnie australijski zespół Omega Silicon z UNSW wykorzystał w swojej pracy proces zwany rozszczepieniem singletowym. W dużym uproszczeniu chodzi o to, że pojedynczy foton światła, trafiając w specjalny materiał organiczny, rozdziela się na dwa niezależne pakiety energii. Każdy z nich może wygenerować osobny elektron, co z kolei efektywnie podwaja wydajność konwersji w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. Co ciekawe, Schmidt i jego współpracownicy jako pierwsi na świecie zastosowali pola magnetyczne do śledzenia procesu rozszczepienia singletowego na poziomie pojedynczych molekuł. Ich wieloletnie badania podstawowe stworzyły fundament dla obecnych osiągnięć.
DPND zamiast tetracenu. Stabilny materiał, który może zrewolucjonizować branżę
Wcześniejsze próby komercjalizacji rozszczepienia singletowego rozbijały się o stabilność materiałów. Tetracen świetnie wyglądał na wykresach, ale degradował pod wpływem tlenu i wilgoci. Przełomem okazał się związek DPND (dipyrrolonaphthyridinedione). To molekuła wywodząca się z przemysłowych pigmentów, która wykonuje tę samą robotę co tetracen, a jednocześnie zachowuje stabilność w warunkach zewnętrznych.
Pokazaliśmy, że można połączyć krzem z tym stabilnym materiałem, który ulega rozszczepieniu singletowemu, a następnie wstrzykuje dodatkowy ładunek elektryczny. To wciąż wczesny krok, ale jest to pierwsza demonstracja, że to faktycznie może działać w realistycznym systemie. – Dr Ben Carwithen, badacz zaangażowany w projekt, opisuje znaczenie tego osiągnięcia.
Co ciekawe, sama metoda aplikacji nowego materiału jest zaskakująco prosta. Polega na nałożeniu ultracienkiej warstwy organicznej na powierzchnię standardowego ogniwa krzemowego. Carwithen porównuje ten proces do malowania dodatkowej warstwy na istniejącej konstrukcji. Taka modyfikacja nie wymaga całkowitej przebudowy linii produkcyjnych, a jedynie dostosowania obecnych technologii. Efekt? Finalnie wydajność może skoczyć do około 45 procent.
Co teraz czeka DPND i rozszczepienie singletonowe?
Projekt zespołu Omega Silicon otrzymał wsparcie finansowe od Australian Renewable Energy Agency w ramach programu Ultra Low Cost Solar. Celem inicjatywy jest opracowanie paneli o wydajności przekraczającej 30 procent przy koszcie poniżej 30 centów za wat do 2030 roku. Siedem wiodących firm branżowych już monitoruje postępy australijskich naukowców, ale jeśli chodzi o harmonogram wdrażania technologii, to zespół zachowuje zdrowy realizm. Prototyp w małej skali może pojawić się w ciągu najbliższych kilku lat, a bardziej prawdopodobny termin dla pełnoskalowego wdrożenia to około pięciu lat. Oczywiście w badaniach naukowych zawsze istnieje możliwość szybszych postępów, jeśli uda się pokonać kluczowe wyzwania techniczne.