Laboratoria badawcze na całym świecie ciągle pracują nad poprawą wydajności ogniw fotowoltaicznych. Korzystanie z tych urządzeń w prawdziwym świecie stanowi jednak dodatkowe wyzwanie. Przykładowo ogniwa słoneczne muszą być wbudowane w moduły, które mogą chronić wrażliwe materiały przed trudnymi warunkami środowiskowymi. Moduły te mogą zmniejszyć sprawność konwersji energii, tracąc w ten sposób przyrost wydajności, nad którym tak sumiennie pracuje się w laboratorium.
Lujia Xu, Stefaan De Wolf i ich koledzy z KAUST skonstruowali moduł ogniw słonecznych o ulepszonej konstrukcji optycznej, który okazał się bardziej wydajny. Ogniwa słoneczne wykorzystywane przez zespół zostały wykonane z połączenia dwóch półprzewodników pochłaniających światło: jeden z nich to krzem, a drugi został wykonany z materiału perowskitowego. Krzem jest obecnie uznanym materiałem w produkcji ogniw słonecznych. I chociaż perowskity są nowym materiałem, wykazano, że dodanie cienkiej warstwy na wierzchu krzemu poprawia wydajność przy akceptowalnym wzroście kosztów.
Te tak zwane tandemowe perowskitowo-krzemowe ogniwa słoneczne wykazywały wcześniej sprawność konwersji energii optycznej na elektryczną sięgającą 30%. Modelowanie teoretyczne wykazało, że wydajność może wzrosnąć nawet do 45%. Ale kiedy zespół KAUST umieścił swoje tandemowe ogniwa słoneczne w module, okazało się, że wydajność spadła z 28,9 do 25,7%. Ich moduł został wykonany przez umieszczenie ogniw słonecznych pomiędzy dwoma taflami szkła. Dla zespolenia i uzupełnienia wolnych przestrzeni pomiędzy ogniwami słonecznymi wnętrze wypełniono termoplastycznym poliuretanem.
Zespół jest przekonany, że zmniejszenie wydajności wynika z niedopasowania współczynnika załamania światła. Umieszczenie bezpośrednio na ogniwach pomiędzy szkłem poliuretanu bez optymalizacji skutkuje zwiększonym odbiciem wpadającego światła. Dlatego zespół zdecydował się zmniejszyć straty powodowane odbiciami przedniej strony poprzez przeprojektowanie modułu optycznego z zastosowaniem inżynierii współczynnika załamania.
Przenosząc warstwę fluorku magnezu z górnej części ogniwa do górnej części przedniej szyby, zmniejszono niedopasowanie współczynnika załamania światła, uzyskując w ten sposób skuteczne sprzężenie.
– Ta prosta optymalizacja skutecznie zapewnia najwyższą gęstość prądu zwarciowego związaną z maksymalnym prądem, jaki można pobrać z urządzenia dla monolitycznych tandemowych modułów perowskitowo-krzemowych, co skutkuje wzrostem wydajności konwersji energii z 25,7 do 26,2% – mówi Xu. – Mamy teraz nadzieję zbadać, w jaki sposób różne materiały i teksturowanie ich powierzchni mogą jeszcze bardziej zmniejszyć straty prądu z ogniw do modułów – dodaje.
Moduł ogniw słonecznych, który łagodzi straty między jego warstwami konstrukcyjnymi, został opracowany przez badaczy KAUST po ponownym przeanalizowaniu projektu optycznego modułu i sposobu jego układania. Prosta zmiana kolejności warstw w modułach fotowoltaicznych może pomóc w poprawie ich wydajności.
Źródło: KAUST Discovery
