...

Cienkowarstwowe krzemowe (Si) ogniwa fotowoltaiczne o wydajności 65%

15 kwietnia 2022
Cienkowarstwowe krzemowe (Si) ogniwa fotowoltaiczne o wydajności 65%

Krzemowe ogniwa słoneczne okazały się mistrzem technologii fotowoltaicznej, ponieważ działają z wysoką wydajnością, są trwałe oraz wykorzystują krzem, który obficie występuje w przyrodzie. Bazują jednak na relatywnie grubych, sztywnych i ciężkich waflach, funkcjonujących w urządzeniach – modułach fotowoltaicznych. Z tego powodu można je instalować w ograniczonej liczbie miejsc.

Jednym ze sposobów przezwyciężenia tej wady jest zastosowanie cienkich membran (ogniw) roboczych. Zmniejszy to ilość krzemu potrzebnego do produkcji ogniw o ponad 99%, a także sprawi, że ogniwa będą elastyczne i lekkie. W takiej postaci ogniwa będzie te można łatwo zintegrować z budynkami, architekturą miejską, a nawet małymi gadżetami codziennego użytku. Problem polega jednak na tym, że do tej pory tak cienkie membrany (ogniwa) krzemowe nie mogą pochłaniać światła tak skutecznie jak klasyczne ogniwa.

Wykorzystując nową, racjonalnie zaprojektowaną budowę nanostruktury, naukowcy z AMOLF, University of Surrey i Imperial College znaleźli sposób na zaciemnienie cienkich ogniw fotowoltaicznych, a tym samym na zwiększenie ich wydajności. Zmierzono labolatoryjnie, że tak teksturowane cienkie membrany pochłaniają 65% światła słonecznego, co jest bardzo zbliżone do ostatecznej, teoretycznej granicy absorpcji wynoszącej około 70%. Jest to najwyższa absorpcja światła, jaką kiedykolwiek wykazano w tak cienkiej membranie krzemowej. Jest prawdopodobne, że w niedalekiej przyszłości zostaną opracowane tego typu elastyczne, lekkie i wydajne ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu.

Jak to działa?
Wzorzysta nanostruktura krzemowa rozsądnie przekierowuje proste światło słoneczne pod różnymi kątami, zatrzymując je wewnątrz membrany. Ponieważ światło jest uwięzione, membrana ma zatem większe szanse na pochłonięcie większej ilości promieniowania.

Wiedząc, pod jakimi kątami padania światła fotony zostaną uwięzione wewnątrz membrany Si, naukowcy są w stanie zaprojektować właściwy nanowzór w oparciu o stan materii często występujący w przyrodzie. Mimo że hiperjednolite rozkłady i wzory wydają się całkowicie losowe, w rzeczywistości jest w nich pewien porządek.

Naukowcy wykazali, że nie istnieje jedno unikalne rozwiązanie, ale raczej cała rodzina wzorów hiperjednorodnych, które oferują dużą elastyczność bez uszczerbku dla wydajności optycznej. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia implementacji, ponieważ nie wszystkie projekty nanowzorów można łatwo wyprodukować w skalowalny sposób.

Wniosek
Liderka grupy AMOLF Esther Alarcon Llado mówi: – Opierając się na silnej skuteczności zatrzymywania światła, według naszych wzorów szacujemy, że wydajność PV powyżej 20% można osiągnąć dla ogniwa c-Si o grubości 1 μm, co stanowiłoby absolutny przełom w kierunku elastyczności. Ponadto cieńsze absorbery Si są odporniejsze na defekty elektroniczne w porównaniu do grubych odpowiedników. Oznacza to, że cienkie ogniwa krzemowe o wysokiej wydajności mogą być również wykonane z krzemu niższej jakości, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie na energię do oczyszczania surowego krzemu i skracając czas zwrotu energii zużytej do jego wyrobu. Cienkie ogniwa fotowoltaiczne z hiperjednolitą strukturą to bardzo obiecująca technologia. Chociaż wciąż jest wiele do zrobienia, aby tak cienkie, wysokowydajne ogniwa stały się częścią środowiska, w którym żyjemy, nasze wyniki napawają nas optymizmem i wiarą w szybkie ich dopracowanie.

Źródło: AMOLF

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika