Chociaż z roku na rok wydajność paneli fotowoltaicznych spada pod wpływem nieustannego bombardowania promieniami UV, to mają one też zdolność do częściowej regeneracji przy zwykłym świetle słonecznym. Ten proces od lat pozostawał dla naukowców zagadką, bo choć wiedzieli, że zachodzi, to nie widzieli, jak dokładnie przebiega. Bez tej wiedzy trudno było projektować panele o większej żywotności i tworzyć rzetelne testy ich trwałości.
Oto jednak nowe odkrycie z Australii może otworzyć drzwi do nowej generacji fotowoltaiki, bo zespół naukowców z University of New South Wales w Sydney opracował metodę, która działa jak mikroskop molekularny. Dzięki niej po raz pierwszy w historii można obserwować w czasie rzeczywistym, jak uszkodzone przez ultrafiolet ogniwo krzemowe naprawia się pod wpływem światła. Jest to więc wyjątkowe narzędzie diagnostyczne, które może zmienić sposób testowania i certyfikacji paneli słonecznych na całym świecie.
Laser jako molekularna kamera do podglądania ogniw słonecznych
Tradycyjne metody oceny degradacji paneli sprowadzały się do pomiaru spadku mocy wyjściowej po naświetlaniu. Jest to jednak jak diagnozowanie choroby wyłącznie na podstawie gorączki, bo choć wiadomo, że pacjent jest chory, to nie wiadomo dlaczego. Australijski zespół pod kierunkiem dr Xiaojing Hao zastosował zupełnie inne podejście, wykorzystując spektroskopię Ramana w ultrafiolecie.
Technika ta działa trochę jak kamera. Zamiast mierzyć tylko, ile energii wytwarza ogniwo, możemy bezpośrednio zobaczyć, jak sam materiał zmienia się w czasie rzeczywistym – tłumaczy dr Ziheng Liu, University of New South Wales.
Czytaj też: Koniec z brutalną litografią. Perowskit dostaje wreszcie obróbkę na miarę swoich możliwości
Technika ta wykorzystuje laser o długości fali 325 nanometrów, który przenika zaledwie na głębokość 0,03 mikrometra w głąb krzemu, czyli dokładnie tam, gdzie zachodzą kluczowe procesy degradacji. Światło lasera rozprasza się na wiązaniach chemicznych, a analiza tego rozproszenia ujawnia ich strukturę i zmiany. Metoda jest całkowicie nieinwazyjna, co pozwala na wielokrotne badanie tego samego ogniwa przez cały jego cykl życia.
Atomowa orkiestra degradacji i regeneracji paneli słonecznych
Dzięki nowej metodzie udało się zobaczyć proces, który wcześniej był tylko teorią. Potwierdzono tym samym, że promieniowanie UV rozrywa wiązania między atomami krzemu, wodoru i boru w cienkiej, pasywacyjnej warstwie ogniwa. Uwolnione atomy wodoru, będące niezwykle ruchliwe, migrują z kolei w głąb struktury, tworząc kompleksy z borem, a to osłabia warstwę ochronną i prowadzi do spadku wydajności. W przyspieszonych testach degradacja może sięgać nawet 10 procent po ekspozycji odpowiadającej 2000 godzinom działania UV.
Prawdziwa rewolucja zaczęła się jednak wtedy, gdy naukowcy skierowali na zdegradowane ogniwo światło z białej diody LED, symulując naturalne światło słoneczne. Materiał zaczął wracać do stanu pierwotnego, kiedy to atomy wodoru powędrowały z powrotem w stronę powierzchni, a zerwane wiązania zaczęły się odbudowywać. Po zaledwie 30 minutach takiej terapii ogniwo odzyskało niemal pełną sprawność, tracąc tylko około 1 procent wydajności w porównaniu z okresem przed degradacją.
Potwierdza to, że regeneracja to nie tylko efekt elektryczny. Sam materiał naprawia się na poziomie atomowym – dr Ang Liu, University of New South Wales
Symulacje komputerowe ujawniły, dlaczego ten proces w ogóle jest możliwy. Okazuje się, że bariera energetyczna potrzebna do naprawy wiązań (1,03 eV) jest niższa niż ta potrzebna do ich rozerwania (1,52 eV). Dlatego fotony ze światła widzialnego, mimo że mają mniejszą energię niż ultrafiolet, są w stanie odwrócić proces degradacji, co stanowi eleganckie wyjaśnienie chemiczne dla zjawiska obserwowanego od lat.
Nowa era testów trwałości paneli słonecznych
Odkrycie to rzuca nowe światło na obecne praktyki branżowe. Standardy certyfikacji paneli, takie jak IEC 61215, polegają na przyspieszonych testach starzeniowych z intensywnym naświetlaniem UV. Problem w tym, że takie testy, nie uwzględniające naturalnej regeneracji pod wpływem światła, mogą znacząco zawyżać prognozowaną degradację. Co gorsza, ciągła, nienaturalnie intensywna ekspozycja może powodować trwałe uszkodzenia, które w normalnych warunkach wcale by nie wystąpiły.
Czytaj też: Obiecujące ogniwa słoneczne niszczył jeden dodatek. Usunęli go, a wydajność skoczyła
Nowa metoda laserowa rozwiązuje ten dylemat. Pozwala w kilka sekund odróżnić degradację odwracalną od nieodwracalnej, co jest kluczowe dla przewidywania rzeczywistej żywotności paneli w terenie, a nie tylko w laboratorium. Jej szybkość otwiera też praktyczne możliwości.
Ta nowa metoda może być stosowana bezpośrednio na linii produkcyjnej, aby szybko sprawdzić, jak dobrze ogniwa słoneczne są odporne na uszkodzenia UV, co czyni ją użyteczną do przyszłej kontroli jakości podczas produkcji – prof. Xiaojing Hao, University of New South Wales
Producenci mogliby dzięki temu testować różne materiały i procesy produkcyjne w czasie rzeczywistym, bez niszczenia prototypów, a kontrola jakości każdej partii ogniw nie spowalniałaby produkcji. Co ciekawe, badania ujawniły także istotny kompromis, z jakim mierzą się inżynierowie, bo naukowcy porównali dwa typy ogniw nowej generacji TOPCon. Pierwsze miało wysoką początkową wydajność na poziomie 24,03%, ale było podatne na degradację UV, po której sprawność spadła do 22,14%. Po naświetleniu światłem widzialnym wróciła ona jednak do 23,86%. Drugie ogniwo, zaprojektowane jako bardziej odporne na UV (przez zastosowanie grubszej warstwy tlenku glinu), wykazywało mniejszą degradację, ale też zaczynało z niższą wydajnością początkową.
Perspektywy z odrobiną realizmu
Odkrycie australijskiego zespołu jest bez wątpienia ważnym krokiem naprzód, bo daje nam narzędzie do zrozumienia fundamentów działania fotowoltaiki na poziomie atomowym. W dłuższej perspektywie może to prowadzić do projektowania paneli, które nie tylko lepiej się naprawiają, ale także są certyfikowane w sposób bardziej odzwierciedlający ich prawdziwą żywotność na dachu.
Czytaj też: Przemysł od 200 lat wytwarza parę tak samo. Teraz jedna firma chce to zrobić bez spalania czegokolwiek
Trzeba jednak pamiętać, że od przełomowej techniki laboratoryjnej do jej wdrożenia na skalę przemysłową droga bywa długa. Koszty i skalowalność tak precyzyjnej metody laserowej będą wymagały dopracowania. Mimo to, sama świadomość, że panele mają taką wewnętrzną zdolność do regeneracji, i że potrafimy ją teraz obserwować, zmienia grę. To solidna podstawa do mądrzejszego, a nie tylko szybszego, rozwoju fotowoltaiki.