Fotowoltaika z perowskitami przebiła kolejną granicę. Nowy rekord tandemu krzem-perowskit
Tandemowe ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujące warstwy krzemu i perowskitu są jednym z głównych kandydatów do zastąpienia ogniw dotychczas wykorzystywanych przez przemysł fotowoltaiczny. Możliwości tej technologii potwierdził właśnie jeden z czołowych producentów ogniw i modułów PV, ustanawiając nowy rekord sprawności ogniwa łączącego krzem i perowskit.
Przemysł fotowoltaiczny zbliża się do teoretycznych granic zwiększania sprawności tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych wykonanych z krzemu krystalicznego. Pojedyncze ogniwo krzemowe ma twardy sufit efektywności – tzw. limit Shockleya-Queissera, wynoszący około 33 proc. Wynika to z tego, że krzem ma jedną przerwę energetyczną (band gap) i nie potrafi efektywnie wykorzystać całego widma słonecznego – fotony o wysokiej energii (niebieskie/UV) tracą nadmiar energii w postaci ciepła, a fotony o zbyt niskiej energii (podczerwień) w ogóle nie generują prądu.
Obecnie na linie produkcyjne czołowych producentów ogniw fotowoltaicznych trafiają krzemowe ogniwa, bazujące na technologiach Back Contact, TOPCon czy HJT, których sprawności wynoszą około 27 proc., co umożliwia wprowadzanie na rynek modułów fotowoltaicznych o sprawnościach wynoszących około 25 proc.
W kolejnych latach z pewnością doczekamy się jeszcze stopniowej poprawy właściwości ogniw bazujących na pojedynczej warstwie krzemowej, jednak działy R&D czołowych firm z przemysłu fotowoltaicznego już szukają rozwiązań, które umożliwią przekroczenie limitów dla tradycyjnych ogniw PV.
Jednym z głównych kierunków rozwoju jest połączenie w ogniwie fotowoltaicznym warstwy krzemowej z warstwą wykonaną z perowskitu. Perowskit ma inną, szerszą przerwę energetyczną niż krzem. Umieszczony jako górna warstwa ogniwa działa jak filtr spektralny: pochłania i przetwarza wysokoenergetyczne, „niebieskie” fotony, a to, czego nie wykorzysta, przepuszcza dalej do krzemu, który zajmuje się resztą widma, w tym podczerwienią. To rozdzielenie pracy między dwie przerwy energetyczne pozwala przekroczyć teoretyczny limit pojedynczego złącza krzemowego.
Ogniwa tandemowe mają potencjał, aby znacząco zwiększyć efektywność fotowoltaiki: dzięki naniesieniu na konwencjonalne krzemowe ogniwo warstwy perowskitu o grubości zaledwie kilkuset nanometrów teoretyczny limit sprawności ogniwa fotowoltaicznego wzrasta do ponad 43 proc.
Nowy rekord sprawności ogniwa krzemowo-perowskitowego
Nad ogniwami krzemowo-perowskitowymi pracuje między innymi jeden z największych na świecie producentów ogniw i modułów fotowoltaicznych – chiński LONGi, który właśnie ogłosił ustanowienie nowego rekordu sprawności tandemowego ogniwa PV łączącego warstwy krzemu i perowskitu. W ciągu zaledwie kilku lat prac nad ogniwami łączącymi krzem i perowskit inżynierowie LONGi zwiększyli ich sprawność z 33,9 proc. (ten wynik ogłoszono w listopadzie 2023 r.) do właśnie ogłoszonych 35,5 proc.
Przed kilkoma miesiącami opracowane przez LONGi dwuterminalowe ogniwo tandemowe w architekturze krzem-perowskit o efektywności 35,2 proc. zostało uwzględnione w najnowszej edycji tabeli sprawności ogniw słonecznych (Solar Cell Efficiency Tables), którą opracowuje zespół ekspertów kierowany przez profesora Martina Greena z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Australii.
Jednocześnie LONGi na ogniwie w przemysłowych rozmiarach (261 cm²) osiągnął efektywność konwersji na poziomie 34,3 proc. oraz 32,2 proc. dla większego ogniwa o powierzchni 274 cm², co pokazuje możliwości przeniesienia świetnych wyników osiąganych na małych powierzchniach ogniw na ogniwa w standardowych, komercyjnych rozmiarach.
Z kolei na poziomie całych modułów fotowoltaicznych z ogniwami krzemowo-perowskitowymi LONGi raportował sprawności ponad 31 proc.
To główna bariera dla perowskitów
Nie jest jednak jasne, jak w przypadku ogniw i modułów krzemowo-perowskitowych, które opracował LONGi, wygląda kwestia degradacji. Wadą perowskitów, której dotychczas nie udało się przezwyciężyć naukowcom, jest dużą wrażliwość na wilgoć, tlen i światło UV, a najdłuższe publicznie raportowane testy stabilności w warunkach maksymalnego obciążenia sięgają na razie ok. 1000 godzin – to niewiele w porównaniu z wymaganiami 25-letniej gwarancji terenowej.
To fundamentalna bariera dla zastosowania modułów bazujących wyłącznie na perowskitach – lub modułów tandemowych łączących krzem i perowskit – w komercyjnej fotowoltaice, gdzie liczy się zwrot z inwestycji rozłożony na dekady.
Jednak w konfiguracji tandemowej – łączącej krzem i perowskit – warstwa krzemowa może częściowo stabilizować perowskit, pełniąc rolę mechanicznego i elektrycznego szkieletu, a warstwa perowskitu, choć wciąż najsłabszym ogniwem pod względem trwałości całego układu, może korzystać z lepszej enkapsulacji i ochrony zapewnianej przez architekturę modułu – to jeden z kierunków badań mających zwiększyć efektywność i żywotność tandemów.
Zaletą perowskitów ma być jednak niski koszt produkcji ogniw – między innymi z uwagi na mniej energochłonny proces produkcyjny – jednak na razie ta zaleta nie przekłada się jeszcze na przewagę rynkową, która zapewniłaby perowskitom szybszą ekspansję rynkową.
Europejski moduł krzemowo-perowskitowy o sprawności ponad 25 proc.
W Europie pierwsze linie produkcyjne ogniw łączących krzem i perowskit uruchomiła pod Berlinem firma Oxford PV. Ostatnio ta firma prezentowała na targach Intersolar w Monachium moduł krzemowo-perowskitowy, do którego produkcji dodatkowo wykorzystano technologię Matrix Shingle opracowaną przez niemiecki instytut Fraunhofer ISE.
W Monachium zaprezentowano dachowy moduł krzemowo-perowskitowy o mocy 491 Wp i powierzchni 1,92 m2 oraz moduł dwustronny o mocy 546 Wp i powierzchni 2,13 m2. Sprawność dla obu modułów fotowoltaicznych pokazanych na Intersolar wynosi 25,6 proc. Ponownie brakuje jednak informacji o spodziewanej degradacji i żywotności warstwy perowskitowej.
Piotr Pająk
piotr.pajak@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
