Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne stanowią 90% całego rynku. Pod względem kosztu, stabilności i wydajności (wynoszącej około 20%-22%) nie mają one teraz żadnej konkurencji.

Badania i inwestycje w ten sektor sprawiły, że ogniwa krzemowe docierają do swojej maksymalnej, teoretycznej wydajności konwersji. W związku z tym pojawia się wiele nowych konceptów ogniw PV, które mają pozwolić na zredukowanie cen energii z systemów PV i uczynić z fotowoltaiki szeroko adoptowaną technologię produkcji energii elektrycznej.

Jednym z pomysłów jest tzw. system z podwójnym złączem. W większości przypadków jest to warstwowa struktura, w której ogniwo PV wykonane w jednej technologii ułożone jest bezpośrednio na innym ogniwie. Maksymalizuje to wydajność dzięki zwiększeniu absorpcji światła w szerszym spektrum. Tego rodzaju ogniwa są już od dawna badane, ale nadal zbyt drogie, aby stosować je komercyjnie. To ma się zmienić, dzięki zespołowi z Neuchâtel w Szwajcarii. Pracują tam badacze z Laboratorium Fotowoltaiki uniwersytetu w Lozannie (EPFL). Współpracują oni z centrum technologicznym CSEM PV.

Badacze opracowali konkurencyjne ekonomicznie rozwiązanie do wytwarzania tandemowych ogniw fotowoltaicznych, złożonych z warstwy perowskitów, osadzonych na standardowym, krzemowym ogniwie PV. Tego rodzaju struktura osiąga wydajność 25,2% – to rekord dla tego typu ogniwa fotowoltaicznego. Co więcej, zaproponowana metoda produkcji jest bardzo obiecująca. Wymaga ona jedynie dołożenia kilku dodatkowych procesów technologicznych do stosowanych obecnie technologii produkcji krzemowych ogniw PV. Wyniki badań, które doprowadziły do powstania tej nowatorskiej metody, opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature Materials”.

Perowskit na krzemie – nanometryczna kanapka

Unikatowe własności perowskitów sprawiły, że w ostatnich latach środowisko naukowe poświęciło im wiele uwagi. W czasie ostatnich dziewięciu lat (od takiego czasu mniej więcej prowadzi się badania nad perowskitową fotowoltaiką) dokonano sześciokrotnego zwiększenia wydajności ogniw PV z tych materiałów.

Perowskity mają wiele zalet – po pierwsze mogą być bardzo wydajne, a po drugie są tanie.

W ogniwach tandemowych perowskity doskonale uzupełniają krzem. Krzem doskonale radzi sobie z światłem czerwonym i podczerwienią. Z kolei perowskity najlepiej przetwarzają światło niebieskie i zielone. „Łącząc te dwa materiały możemy zmaksymalizować wykorzystanie widma światła słonecznego i zwiększyć ilość wygenerowanej energii. Obliczenia pokazują, że niebawem powinno być możliwe osiągnięcie wydajności konwersji na poziomie 30%”, mówią główni autorzy publikacji Florent Sahli i Jérémie Werner.

Stworzenie tandemowej struktury nie jest takie proste. „Powierzchnia krzemu składa się z niewielkich piramidek o wysokości 5 mikronów. Sprawiają one, że światło słoneczne mniej się od nich odbija. Sprawia to także, że trudniej jest nałożyć na krzem homogeniczną warstwę perowskitu”, mówi jeden z badaczy, Quentin Jeangros.

Podczas nakładania perowskitów z roztworu ciecz skupia się w dolinach pomiędzy tymi piramidkami, co sprawia, że ich szczyty nie są w ogóle pokryte. Dlatego struktura jest nie tylko daleka od jednorodnej, ale także powoduje, że w układzie powstają zwarcia.

Kluczowa warstwa gwarantująca optymalną mikrostrukturę

Badacze z EPFL i CSEM w sprytny sposób obeszli opisany powyżej problem. Pomiędzy warstwy perowskitu a krzem dodali kolejną. Nakłada się nią na piramidki z wykorzystaniem depozycji próżniowej i jest porowata, co pozwala na zatrzymanie roztworu organicznych perowskitów z pomocą tzw. spin-coatingu, czyli powlekania obrotowego na przygotowany krzem. Po nałożeniu warstwy perowskitu jest on wygrzewany w temperaturze 150°C, co sprawia, że materiał ten krystalizuje w homogeniczną warstwę na powierzchni krzemowych piramidek.

„Do dzisiaj standardowym podejściem w produkcji tego rodzaju tandemowych ogniw było usunięcie piramidek, co pogarszało własności optyczne krzemowego ogniwa i w konsekwencji jego wydajność”, mówi Florent Sahli.

Nowy rodzaj ogniw tandemowych jest sporo wydajniejszy niż konkurencji. Ogniwa te są także proste w produkcji, co przekłada się na niski koszt tego procesu.

Obecnie badacze zajmują się poprawą długoczasowej stabilności perowskitowej warstwy na powierzchni krzemu. Jakkolwiek zespół z Szwajcarii dokonał sporego przełomu, to jeszcze wiele pracy musi być włożone, aby możliwa była komercjalizacja tej technologii.

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.