Rekordowa sprawność ogniwa PV. 40% wewnątrz budynków

Technologia ta może znacząco wesprzeć rozwój autonomicznych urządzeń IoT, umożliwiając im działanie wewnątrz budynków bez potrzeby zewnętrznego zasilania.

Zespół badaczy z niemieckiego Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE) stworzył ogniwo słoneczne na bazie fosforku galu i indu (GaInP), które osiągnęło sprawność konwersji energii przekraczającą 40% w warunkach oświetlenia wewnętrznego. GaInP to półprzewodnik z grupy III-V znany z wysokiej sprawności, dotychczas wykorzystywany głównie w aplikacjach takich jak satelity i drony, gdzie liczy się niska masa, mały rozmiar i wysoka sprawność konwersji.

Wewnętrzne ogniwa fotowoltaiczne (indoor PV) wykorzystywane są głównie do pracy przy sztucznym świetle wewnętrznym. Stosowane są głównie do zasilania autonomicznych urządzeń elektronicznych, które działają wewnątrz budynków i nie są na stałe podłączone do sieci elektrycznej. Przykładowo można stosować je do zasilania czujników temperatury, wilgotności czy ruchu, a także do przycisków bezprzewodowych czy zasilania kalkulatorów oraz pilotów.

REKLAMA

Optymalizacja architektury

Badania naukowców z Fraunhofer ISE wykazały, że ogniwa n-domieszkowane (n-type) GaInP osiągają znacznie wyższą sprawność niż ich odpowiedniki p-type. N-dopowanie pozwala na wydłużenie czasu życia nośników ładunku, co prowadzi do lepszego wykorzystania nawet bardzo słabego światła. Przy natężeniu 100 luksów uzyskano sprawność 37,5%, a przy 1000 luksów – aż 41,4%.

Ogniwa wykonano w architekturze homozłącza oraz heterozłącza tylnego, wykorzystując warstwy o grubości 700 i 850 nm. Proces obejmował fotolitografię, trawienie chemiczne, naparowanie kontaktów metalicznych oraz zastosowanie dwuwarstwowej powłoki antyrefleksyjnej. Efektywność udało się zwiększyć m.in. dzięki lepszym właściwościom napięcia obwodu otwartego i współczynnika wypełnienia.

Efektywność dzięki jakości i dbałości o detale

Jak podkreśla zespół Fraunhofer ISE, kluczowym czynnikiem sukcesu była nie tylko optymalna szerokość pasma energetycznego, ale również poprawiona jakość materiału absorbera oraz zastosowanie architektury z N-dopowaniem, czyli procesem dodawania do półprzewodnika domieszek, które zwiększają liczbę ujemnych nośników ładunku, czyli elektronów.

REKLAMA

Nośniki ładunku w takim materiale charakteryzują się dłuższym czasem życia, co umożliwia generowanie większej ilości energii nawet przy oświetleniu na poziomie zaledwie 100 luksów. Działanie to w efekcie pozwoliło badaczom osiągnąć rekordową sprawność powyżej 40% bez zewnętrznego źródła zasilania.

Technologia ta, oprócz potencjału dla urządzeń IoT, czerpie również z doświadczeń projektów wspieranych przez niemieckie ministerstwa oraz agencję kosmiczną DLR.

Indoor PV w obszarze zainteresowań badaczy

Oprócz prac naukowców z Fraunhofer ISE nad ogniwami GaInP istnieje szeroki nurt badań nad różnorodnymi technologiami wnętrzowych ogniw PV. Naukowcy ze Stanford University analizowali ogniwa z dwuchalkogenków metali przejściowych (TMD). Szacują, że ich rozwiązania mogą osiągnąć sprawność do 36,5% przy niewielkim natężeniu oświetlenia.

Z kolei zespół badaczy z Tajwanu w swojej pracy badawczej pt. “Chelating agent-based defect passivation for enhanced indoor performance of wide-bandgap perovskite solar cells” poinformował o uzyskaniu sprawności na poziomie 38,7% przy oświetleniu o natężeniu 2 000 luksów dla wnętrzowych ogniw opartych na perowskitach.

Radosław Błoński