Hiszpańscy badacze opracowują komórkę słoneczną, która osiągnie efektywność 43%.

Energia słoneczna od lat poprawia swoje parametry, ale wciąż ma duży potencjał rozwoju. Chociaż obecne instalacje stają się coraz tańsze i bardziej efektywne, istnieje fizyczna granica, która ogranicza wydajność konwencjonalnych komórek słonecznych.

Teraz grupa naukowców z Instytutu Nauk Fotonicznych (ICFO) w Castelldefels koło Barcelony przedstawiła rozwiązanie, które mogłoby pomóc przezwyciężyć tę barierę. Co najciekawsze, nie wymaga ono opracowania zupełnie nowego materiału półprzewodnikowego, lecz modyfikacji jednego z komponentów komórek słonecznych, aby lepiej wykorzystywać otrzymywaną energię.

Kluczem jest zastąpienie konwencjonalnego, przezroczystego elektrody niezwykle cienką warstwą srebra, która potrafi przewodzić prąd, przepuszczać światło, a jednocześnie kontrolować, w jaki sposób ucieka część promieniowania z wnętrza komórki.

Warstwa srebra jako rozwiązanie problemu ograniczeń efektywności paneli słonecznych

Aby zrozumieć znaczenie tego postępu, trzeba wspomnieć o znanym ograniczeniu Shockleya-Queissera – punkcie odniesienia w fizyce, który stanowi, że konwencjonalna komórka słoneczna z jednym połączeniem ma maksymalną teoretyczną efektywność około 33% w standardowych warunkach oświetlenia słonecznego.

To oznacza, że nawet przy użyciu materiałów najwyższej jakości i minimalizowaniu wad produkcyjnych istnieje znaczna ilość energii, której nie można wykorzystać. Część z niej ginie w postaci ciepła, a druga odpowiada fotonom, które nie mają wystarczającej energii, aby wytwarzać prąd elektryczny.

Jest jednak jeszcze trzeci fenomen, który również obniża wydajność. Gdy światło słoneczne dociera do półprzewodnika, uwalnia elektrony, które mogą generować prąd elektryczny. Jednak niektóre z tych elektronów ponownie łączą się i emitują fotony, które ostatecznie uciekają z komórki, zabierając ze sobą część energii.

Hiszpańscy badacze skupili swoje wysiłki właśnie na zmniejszeniu tych strat, związanych z emisją promieniowania oraz tak zwanymi stratami Boltzmanna. Ich propozycja polega na zmianie sposobu, w jaki światło może opuszczać komórkę słoneczną, wykorzystując właściwości optyczne cienkiej warstwy metalicznej.

Zamiast zwykłego tlenku indu i ołowiu, znanego jako ITO, użyli tak cienkiej warstwy srebra, która umożliwia przechodzenie dużej części światła, ale ma również właściwości odbijające. W ten sposób ograniczają kąty, przez które może uciekać promieniowanie emitowane z wnętrza.

Rezultatem jest struktura, która częściowo funkcjonuje jako pojemność optyczna, pomagając poprawić wykorzystanie fotonów. W eksperymentach zespół zaobserwował poprawy zarówno w napięciu, jak i prądzie elektrycznym, co jest szczególnie istotne, ponieważ oba te parametry określają moc, jaką może dostarczyć komórka słoneczna.

Od 33% do 43% efektywności: co naprawdę udało się osiągnąć

Na podstawie tych wyników modele teoretyczne wskazują, że dzięki udoskonaleniu technologii można osiągnąć efektywność bliską 43%. Jest to wartość, która oznaczałaby znaczny skok w porównaniu z klasycznym limitem komórek jednołącznych, chociaż wciąż pozostaje wiele pracy, aby sprawdzić, jak daleko można zaszć z tą propozycją.

Badacz Francisco Bernal Texca, główny autor badania, uważa, że praca ta otwiera drogę do dotychczas mało badanych metod na przezwyciężenie limitu Shockleya-Queissera. Zaletą jest to, że stanowi alternatywę dla tradycyjnych strategii, skupionych głównie na łączeniu różnych materiałów półprzewodnikowych.

A to dlatego, że jeśli ta technologia uda się rozwinąć do poziomu rozwiązania komercyjnego, mogłaby zwiększyć produkcję energii elektrycznej bez konieczności proporcjonalnego powiększania powierzchni zajmowanej przez panele. Jest to szczególnie interesujące dla instalacji na dachach, gdzie dostępna przestrzeń jest zazwyczaj ograniczona.

Technologia, która mogłaby uzupełnić komórki słoneczne na bazie perowskitów

Prace ICFO przychodzą w momencie intensywnej konkurencji o poprawę efektywności fotowoltaicznej. Jedną z technologii, która przyciąga najwięcej uwagi, są komórki słoneczne tandemowe, które łączą różne materiały w celu wykorzystania różnych części widma słonecznego.

Przykładem jest chiński producent LONGi, który ogłosił efektywność 35,5% w komórce tandemowej na bazie perowskitu i krzemu. W tym przypadku zasada działania różni się od tej stosowanej przez badaczy z Barcelony: zamiast kontrolować promieniowanie, które ucieka, łączy się materiały o różnych właściwościach absorpcji, aby lepiej wykorzystać energię fotonów.

Perowskit umożliwia dostosowanie długości fal, które może pochłaniać, podczas gdy krzem odpowiada za wykorzystanie innej części widma. Ta kombinacja pozwala przezwyciężyć ograniczenia charakterystyczne dla konwencjonalnych komórek jednołącznych.

Propozycja ICFO dotyczy innego mechanizmu strat, dzięki czemu otwiera możliwość badania uzupełniających rozwiązań. Nie oznacza to, że obie te technologie mogą być bez trudności łączone bezpośrednio, ale istnieją różne drogi do dalszego zwiększania efektywności energii słonecznej.

Badane są również takie techniki jak fuzja pojedyncza, która ma na celu wykorzystanie fotonów o wysokiej energii do wytworzenia więcej niż jednej ekscytacji elektronowej. Są to strategie wciąż eksperymentalne, ale pokazują, że margines poprawy w technologii fotowoltaicznej pozostaje znaczny.

Praktyczne konsekwencje zwiększenia efektywności są dość proste. Im więcej energii można uzyskać z danej powierzchni, tym mniejszy będzie potrzebny obszar, aby osiągnąć określoną ilość energii elektrycznej.

Na przykład, w czysto teoretycznym porównaniu, komórka o efektywności 43% mogłaby wytwarzać o około 30% więcej energii na jednostkę powierzchni niż komórka o efektywności 33%, pod warunkiem, że obie pracują w tych samych warunkach.

To miałoby konsekwencje dla instalacji samowystarczalnych, dużych elektrowni słonecznych, a także dla zastosowań, w których każdy metr kwadratowy jest szczególnie cenny. Od dachów przemysłowych po systemy fotowoltaiczne zintegrowane w budynkach, zwiększenie produkcji bez rozszerzania powierzchni instalacji stanowi oczywitą przewagę.

Jednak nadal istnieją istotne przeszkody. Nowa struktura musi udowodnić, że można ją wytwarzać na dużą skalę, zachować jej wydajność przez lata oraz zapewnić konkurencyjne koszty. Należy również sprawdzić, czy ulepszenia zaobserwowane w laboratorium utrzymują się po przeniesieniu systemu na większe komórki, a następnie na pełne moduły.

Użycie srebra również nie jest drobnostką, ponieważ jest to materiał stosunkowo drogi. Chociaż warstwy, które są używane, są niezwykle cienkie, ich zużycie, stabilność oraz proces produkcji będą ważnymi czynnikami decydującymi o opłacalności komercyjnej.

Na razie mamy do czynienia z postępem naukowym, a nie z nową generacją paneli słonecznych gotowymi do montażu na dachach. Jednak prace badaczy z Barcelony pokazują, że wciąż istnieją drogi do zbadania, aby lepiej wykorzystać źródło energii, które otrzymujemy codziennie za darmo.

A jeśli uda się w końcu przekształcić znacznie większą część tego światła w energię elektryczną, energia słoneczna może nadal obniżać swoje koszty bez konieczności zajmowania coraz większej przestrzeni.