Grupa naukowców zajmujących się nanoinżynierią z Uniwersytetu w Lund, pracująca nad ogniwami słonecznymi, ogłosiła, że dokonała przełomu w zeszłym roku, kiedy udało się zbudować fotowoltaiczne nanoprzewody z trzema różnymi przerwami wzbronionymi*. Tak zbudowany nanodrut składa się z trzech różnych materiałów, które reagują na różne części widma słonecznego.
Naukowcom zajmującym się fizyką z Uniwersytetu w Lund w Szwecji udało się skonstruować małe „anteny” zbierające promieniowanie słoneczne – nanoprzewody – przy użyciu trzech różnych materiałów, które lepiej reagują na cały zakres widma słonecznego w porównaniu z dzisiejszymi krzemowymi ogniwami słonecznymi. Ponieważ nanoprzewody są lekkie i wymagają niewielkiej ilości materiału na jednostkę powierzchni, będą testowane na satelitach, które są zasilane ogniwami słonecznymi i gdzie najważniejszymi atrybutami są wydajność w połączeniu z niską masą. Nowe ogniwa słoneczne zostały wysłane w kosmos na początku 2023 r.
Na całym świecie istnieje około 10 zespołów badawczych, które aktywnie pracują nad nanoprzewodowymi ogniwami słonecznymi. – Wielkim wyzwaniem było przeniesienie prądu między materiałami tworzącymi tak zbudowany nanodrut. Zajęło to ponad 10 lat, ale w końcu się udało. Wyzwanie polegało na połączeniu różnych pasm wzbronionych w ogniwach słonecznych i w ten sposób, po dokonaniu połączenia, drzwi wreszcie się otworzyły – mówi Magnus Borgström, profesor fizyki ciała stałego z Uniwersytetu w Lund.
Alternatywa dla krzemu na przyszłość
Ogniwa słoneczne z różnymi pasmami wzbronionymi, znane jako tandemowe ogniwa słoneczne, są jak dotąd spotykane głównie na satelitach i są przedmiotem intensywnych badań. Celem badań jest znaczne zwiększenie wydajności – być może nawet podwojenie wydajności dzisiejszych komercyjnych krzemowych ogniw słonecznych. Krzemowe ogniwa słoneczne osiągnęły fizycznie maksymalny limit wydajności. Dlatego skupiono się teraz na opracowywaniu tandemowych ogniw słonecznych. – Warianty montowane na satelitach są zbyt drogie, aby można je było umieścić na dachu – mówi Magnus Borgström.
Tandemowe ogniwa słoneczne na bazie krzemu cieszą się dużym zainteresowaniem. Najczęstszym sposobem budowy tandemowych ogniw słonecznych jest synteza różnych materiałów półprzewodnikowych i umieszczanie ich jeden na drugim. Technologia ich budowy polega na układaniu cienkich, półprzezroczystych warstw różnych materiałów na krzemie.Te różne materiały mogą pochłaniać (reagować na) różne części widma słonecznego.
Naukowcy z Lund stosują nieco inne podejście. Opracowali metodę, w której na podłożu innym niż krzemowe budują niezwykle cienkie pręty z materiału półprzewodnikowego. Zaletą jest niewielka ilość materiału na jednostkę powierzchni, co może obniżyć koszty produkcji i stać się bardziej zrównoważoną alternatywą. Pręciki o grubości nanometra składają się z trzech materiałów zawierających różne ilości indu, arsenu, galu i fosforu. Nanoprzewodowe ogniwa słoneczne mogą osiągnąć 47% wydajności przy obecnej strukturze. Osiągnięcie jeszcze wyższej wydajności wymaga większej przerwy wzbronionej. Oprócz ulepszonej absorpcji światła nanodrutowe ogniwa słoneczne charakteryzują się trwałością, ponieważ są w stanie wytrzymać szkodliwe promieniowanie w przestrzeni kosmicznej lepiej niż odpowiadające im tandemowe ogniwa słoneczne na bazie folii.
Testy w kosmosie wiosną
Te zalety sprawiły, że nanoprzewodowe ogniwa słoneczne zostały niedawno zamontowane na satelicie badawczym, który został wysłany w kosmos w drugim tygodniu stycznia przez partnerów współpracujących – naukowców z California Institute of Technology w Caltech w USA. Duża część naszej komunikacji cyfrowej jest kontrolowana przez satelity, które z kolei są zasilane ogniwami słonecznymi. Satelity przekazują sygnały GPS, transmisje telewizyjne, różnorodne informacje, rozmowy telefoniczne i dane pogodowe.
Magnus Borgström uważa, że w dłuższej perspektywie tandemowe ogniwa słoneczne pojawią się również na Ziemi, jednak przynajmniej początkowo bezkrzemowe ogniwa słoneczne będą wykorzystywane w niszowych zastosowaniach, takich jak odzież, okna i dekoracje.
* Przerwa wzbroniona (pasmo wzbronione, przerwa energetyczna) jest jednym z podstawowych parametrów, jakimi opisuje się półprzewodnik. Od przerwy energetycznej zależy wiele parametrów półprzewodników. Energetyczna przerwa wzbroniona określa energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi i nośnikami prądu.
Oprac. M. Grabania
Źródło: Lund University
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
