W odróżnieniu od przewidywalnej natury światła emitowanego przez Słońce, przemysł ogniw słonecznych stale się zmienia. Ostatnio naukowcy korzystający ze środków Unii Europejskiej (UE) uzyskali rekordową wydajność konwersji energii dzięki materiałowi trzeciej generacji osadzonemu na krzemie.
Technologia fotowoltaiczna rozwija się bardzo szybko od czasu zaprezentowania pierwszego sprawnego krystalicznego ogniwa krzemowego przez Bell Labs w 1954 roku. Jednak w miarę zbliżania się do teoretycznych ograniczeń wydajności, poszukiwane są nowe materiały i metody, które pozwoliłyby na zwiększenie wydajności i obniżenie kosztów.
Do najbardziej obiecujących aktualnie opracowywanych technologii trzeciej generacji należą te wykorzystujące perowskity – klasę krystalicznych halogenków metaloorganicznych, z którymi można zintegrować wiele różnych kationów. W ciągu ostatniej dekady ich wydajność poprawiała się wykładniczo, a rynek powinien osiągnąć wartość ponad 500 mln USD do 2028 roku. Finansowany przez UE projekt CHEOPS ma na celu osiągnięcie przełomowej wydajności i opracowanie procesów pozwalających na zwiększenie produkcji perowskitowych ogniw słonecznych.
Standardowy krzem pochłania niskoenergetyczne fotony. Perowskit daje możliwość zebrania większej ilości energii świetlnej, ponieważ posiada wyjątkowe właściwości, dzięki którym możliwe staje się wykorzystanie wysokoenergetycznych niebieskich fotonów. Używając perowskitu w warstwach aktywnych ogniw, naukowcy starali się wykorzystać potencjał tego materiału w zakresie masowej i taniej produkcji.
Postępy w rozwoju perowskitowych ogniw słonecznych
Z technologicznego punktu widzenia pierwszym celem było zwiększenie wydajności ogniw perowskitowych z pojedynczym złączem, a następnie wykorzystanie tzw. technologii tandemowej poprzez hodowanie warstwy perowskitu na krzemie.
Naukowcy z firmy CHEOPS rozbudowali laboratoryjny prototyp ogniwa perowskitowego z pojedynczym złączem o wymiarach 1 × 1 cm z 15% do wymiarów modułu demonstracyjnego 10 × 10 cm, przy minimalnej utracie wydajności. Było to ważne osiągnięcie. Jednocześnie prace te uwidoczniły jedno z wyzwań stojących przed nową technologią: możliwość sterowania procesami. Zespół pracuje nad stworzeniem nowych technik nanoszenia warstw, aby umożliwić jednolite powlekanie dużych powierzchni kompaktowych folii spełniających wymagania przemysłu.
Jeśli chodzi o tandemową technologię perowskitowo-krzemową, koordynator projektu Nicolay Sylvain wyjaśnia: – W projekcie CHEOPS po raz pierwszy dowiedziono możliwości hodowania wierzchnich warstw perowskitu na dolnych warstwach krzemowych z w pełni teksturowaną powierzchnią. Ponieważ rynek standardowych fotowoltaicznych ogniw krzemowych stosuje ten rodzaj teksturowanych ogniw, możliwość ich wykorzystania w ten sposób jest kluczowa dla przyszłego rozwoju ogniw perowskitowych. Ponadto kilku partnerom projektu CHEOPS udało się uzyskać rekordową sprawność ogniw w skali światowej.
Tandemowe ogniwo perowskitowo-krzemowe z heterozłączem (1,43 cm2) osiągnęło sprawność konwersji energii wynoszącą 25,4%, bijąc wcześniejszy światowy rekord uzyskany przez partnerów CHEOPS.
Naukowcy opracowali również ujednolicone i ustandaryzowane protokoły pomiarowe, które umożliwiają dokładniejsze porównywanie różnych metod. Sylvain wyjaśnia: – Obecnie do pomiaru perowskitowych urządzeń fotowoltaicznych stosuje się wiele różnych protokołów, co utrudnia ich porównywanie. Partnerzy CHEOPS uzgodnili ujednolicony protokół pomiarowy, który zostanie zaprezentowany w formie białej księgi.
Źródło: © Unia Europejska 2019. Źródło: CORDIS. Fot. © accelopment 2019
Więcej w numerze 3/2019 Magazynu Fotowoltaika.