Fotowoltaika ma to do siebie, że największe zmiany bardzo rzadko przychodzą z hukiem. Zwykle zaczynają się od wyniku, który dla branży staje się sygnałem, że jakiś poboczny dotąd kierunek badań jednak nie trafił w ślepą uliczkę. Właśnie dlatego kolejne rekordy sprawności nie zawsze należy czytać jak zapowiedź natychmiastowej rewolucji na dachach i farmach słonecznych. Czasami są raczej informacją, że naukowcy znaleźli sposób na obejście problemu, który od lat blokował rozwój danej klasy ogniw. Tak właśnie wygląda najnowsza historia z Japonii.
Japończycy ustanowili nowy specyficzny rekord fotowoltaiki
Nie chodzi tu o kolejny krzemowy rekord ani o następny głośny sukces perowskitów, lecz o materiał znacznie mniej medialny, ale za to bardzo interesujący z punktu widzenia przyszłych ogniw tandemowych. Mowa o selenku miedzi i galu, który od dawna uchodzi za obiecujący półprzewodnik szerokoprzerwowy, ale przez lata nie potrafił wyjść z cienia bardziej dojrzałych technologii. Teraz wrócił na pierwsze strony branżowych mediów, bo zespół z japońskiego AIST pokazał, że ten kierunek nadal ma sens.
Specjaliści opracowali ogniwo słoneczne (składową panelu słonecznego), które wykorzystując selenek miedzi i galu, uzyskał sprawność konwersji energii na poziomie 12,28%. Według badaczy jest to najlepszy zgłoszony wynik dla szerokoprzerwowych ogniw chalkogenkowych w zakresie 1,65-1,75 eV, a zwłaszcza dla konstrukcji powiązanych z rodziną CIGS, ale pozbawionych indu. Co ważne, wynik został niezależnie potwierdzony przez akredytowane laboratorium AIST zajmujące się kalibracją i pomiarami fotowoltaiki.
Nie mówimy tutaj o rekordzie całej fotowoltaiki, lecz o rekordzie w bardzo konkretnej, trudnej technicznie niszy. To ma znaczenie, bo dziś najlepsze badawcze ogniwa krzemowe przekraczają 27% sprawności, a tandemy perowskit-krzem doszły do około 35%. Na tym tle 12,28% wygląda skromnie. Różnica polega na tym, że selenek miedzy i galu nie jest badany po to, by jutro samodzielnie zastąpić krzem, lecz by w przyszłości pracować jako górne ogniwo w układach tandemowych.
Czytaj też: Jeden z największych problemów akumulatorów przyszłości właśnie przestał być tajemnicą
Selenek miedzi i galu należy do rodziny chalkopirytów i jest blisko spokrewniony z dużo lepiej znanym CIGS, czyli materiałem stosowanym w cienkowarstwowych ogniwach. Jego najważniejszą cechą jest bezpośrednia przerwa energetyczna na poziomie 1,68 eV. Taka wartość jest atrakcyjna dla ogniw górnych w tandemie, bo pozwala dobrze zagospodarować wysokoenergetyczną część widma słonecznego, pozostawiając resztę światła dolnemu ogniwu. Dodatkową zaletą jest wysoki współczynnik absorpcji, dzięki któremu materiał może skutecznie pracować nawet w postaci bardzo cienkich warstw.
Jak naukowcy poprawili ogniwo słoneczne z selenku miedzy i galu?
Najważniejsze nie sprowadza się do jednego magicznego dodatku, lecz do połączenia modyfikacji objętości materiału i interfejsów. Inżynierowie poprawili wydajność przez domieszkowanie aluminium i zastosowanie rubidu, aby ograniczyć straty związane z defektami w samym absorberze oraz na granicach między warstwami. W praktyce chodzi o typowy problem szerokoprzerwowych chalkogenków, a więc to, że napięcie i współczynnik wypełnienia potrafią uciekać przez rekombinację nośników, zanim ogniwo zdąży sensownie wykorzystać pochłoniętą energię.
Czytaj też: Idealna roleta zewnętrzna? Niemcy sprawili, że fotowoltaika zeszła z dachów na ściany
AIST wykorzystał trzystopniowy proces wzrostu absorbera w procesie produkcji. Aluminium i fluorek rubidu wprowadzano już na początku, a dodatkowy RbF podano także w końcowej fazie procesu. Kluczowe było zbudowanie odpowiedniego rozkładu aluminium przy tylnej części warstwy CuGaSe2, tak aby utworzyć tzw. pole wspomagające zbieranie nośników mniejszościowych i ograniczające straty przy tylnej powierzchni. Sama architektura urządzenia nie jest egzotyczna, ale pokazuje, gdzie dziś leżą kompromisy. Ogniwo zbudowano na szkle sodowo-wapniowym z tylnym kontaktem molibdenowym. Na nim znalazł się absorber, potem bufor z siarczku kadmu, warstwa okienna z tlenku cynku i metalowa siatka elektrody. Warstwa CdS miała z kolei grubość 150 nm, czyli 0,15 mikrometra.
Czytaj też: Już nie tylko sprawność. Teraz panele słoneczne mają być bezpieczne i trwałe
Końcowe parametry też sporo mówią. Nowe ogniwo osiągnęło napięcie obwodu otwartego 0,996 V i gęstość prądu zwarciowego 17,90 mA/cm², podczas gdy poprzednia wersja z 2024 roku miała 0,959 V napięcia i gęstość na poziomie 17,64 mA/cm². Innymi słowy, nowy rekord to wzrost o zaledwie 0,03 punktu procentowego, czyli ruch kosmetyczny na poziomie samej sprawności, ale jednocześnie dość wyraźny postęp po stronie napięcia. W tej klasie materiałów właśnie to napięcie jest jednym z najtrudniejszych elementów układanki.
Czas na rewolucję na rynku paneli słonecznych? No… nie do końca
Dziś pewne jest, że nie zobaczymy za chwilę fali nowych modułów opartych na nowym materiale, a tym bardziej nie zobaczymy nagłego odwrotu od krzemu. Rynek wciąż należy do technologii dojrzałych, a rekordy laboratoryjne z niszowych kategorii potrzebują lat, by przełożyć się na przemysł, o ile w ogóle to zrobią. Jednak w średnim i dłuższym horyzoncie taki wynik może mieć znaczenie jako element większej układanki.
Źródła: Science Advances, PV Magazine
