NREL osiągnął rekordową sprawność ogniwa fotowoltaicznego
Naukowcy z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energetyki Odnawialnej osiągnęli znakomity rekord sprawności ogniwa fotowoltaicznego. Zastosowana technologia z uwagi na wysokie koszty z pewnością szybko nie znajdzie szerszego zastosowania w przemyśle fotowoltaicznym, w którym seryjnie produkowane, najpopularniejsze ogniwa mają na razie sprawności niższe o połowę. Jednak efektami prac amerykańskich naukowców z pewnością zainteresuje się m.in. przemysł kosmiczny.
Technologia fotowoltaicznych ogniw wielozłączowych, w których wykorzystywane są nakładane na siebie warstwy półprzewodników o różnych właściwościach konwersji światła słonecznego, nie jest nowa.
Naukowcy pracujący nad tego rodzaju ogniwami wcześniej skupiali się na technologii ogniw trój- czy czterozłączowych, licząc, że relatywnie wyższe koszty produkcji – niż w przypadku tradycyjnych, jednowarstwowych ogniw – zrekompensują wyższe sprawności, a więc i większa produkcja energii.
Technologia ogniw wielozłączowych mimo to nadal nie znalazła szerszego zastosowania na ryku fotowoltaicznym, który pozostaje zdominowany przez technologię ogniw pierwszej generacji, a więc ogniw mono- i polikrystalicznych.
Ogniwa wielozłączowe znajdują jednak niszowe zastosowania. Stosuje je m.in. przemysł kosmiczny.
Teraz możliwości wykorzystania ogniw wielozłączowych zwiększają amerykańscy naukowcy z Narodowego Laboratorium Energetyki Odnawialnej (National Renewable Energy Laboratory, NREL).
Na łamach pisma naukowego „Nature Energy” właśnie ukazał się ich artykuł pt. „Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration”.
Opisują w nim osiągnięcie rekordowej sprawności sześciozłączowego ogniwa fotowoltaicznego w warunkach skoncentrowanego światła słonecznego na poziomie aż 47,1 proc.
Sprawność tego samego ogniwa wyniosła 39,2 proc. w przypadku braku efektu koncentracji światła słonecznego.
Do budowy każdego z sześciu złącz ogniwa wykorzystano różne materiały z tzw. grup III-V charakteryzujące się absorpcją różnych zakresów spektrum promieniowania słonecznego.
Mimo zastosowania w sumie 140 warstw różnych materiałów opracowane przez amerykańskich naukowców ogniwo jest i tak trzy razy cieńsze od ludzkiego włosa.
NREL zaznacza, że tego rodzaju ogniwa mogą znaleźć zastosowanie m.in. w satelitach kosmicznych, a na ziemi najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie ich z uwzględnieniem soczewek (Concetranted Photovoltaics, CPV).
– Jednym z rozwiązań, aby obniżyć koszty, jest zredukowanie wymaganej powierzchni, co można osiągnąć wykorzystując lustro, które skupi promieniowanie słoneczne na określonym punkcie. Wtedy można uniknąć potrzeby stosowania setek czy nawet tysięcy warstw różnych materiałów. Koncentrując promienie słoneczne, można wykorzystać znacznie mniej materiałów przewodzących – komentuje Ryan France z NREL.
Naukowiec NREL zapewnia jednocześnie, że już obecnie w zasięgu jest przekroczenie sprawności tego rodzaju ogniw ponad 50 proc., przy czym osiągnięcie sprawności 100 proc. nie jest możliwe z uwagi na ograniczenia wynikające z zasad termodynamiki.
Do dalszego zwiększania sprawności ma prowadzić redukcja barier ograniczających przepływ prądu w ogniwie.
Jednocześnie celem badań prowadzonych przez NREL, dofinansowanych przez federalny Departament Energii, ma być obniżenie kosztów wytwarzania materiałów potrzebnych do budowy tego rodzaju ogniw, co otworzy nowe możliwości ich komercyjnego zastosowania.
Rekordowe sprawności ogniw fotowoltaicznych
NREL jest ponadto autorem aktualizowanego na bieżąco zestawienia rekordów sprawności ogniw fotowoltaicznych wykonanych w poszczególnych technologiach.
W kategorii ogniw posiadających cztery i więcej złącz rekordowy wynik w warunkach skoncentrowanego światła słonecznego posiada obecnie opisane wyżej ogniwo.
Natomiast w kategorii ogniw z trzema złączami najlepszy wynik należy do firmy Sharp, która w warunkach koncentracji światła słonecznego (302x) osiągnęła sprawność 44,4 proc. Bez koncentracji ogniwo japońskiej firmy osiągnęło sprawność 37,9 proc.
Z kolei rekord ogniwa z dwoma złączami w warunkach skoncentrowanego światła (38,1x) należy również do NREL i wynosi 35,5 proc. Rekordowy wynik bez koncentracji światła na tym samym ogniwie wynosi 32,9 proc.
To sprawności dużo wyższe od osiąganych na jednozłączowych ogniwach wykonanych w najpopularniejszych na rynku fotowoltaicznym technologiach mononkrystalicznych i polikrystalicznych.
W pierwszym przypadku odnotowana przez NREL rekordowa sprawność ogniwa monokrystalicznego w warunkach skoncentrowanego światła (92x) wynosi 27,6 proc. Ten wynik uzyskany przez firmę Amonix nie został poprawiony od 2005 roku.
Rekordowa sprawność ogniwa monokrystalicznego bez koncentracji światła wynosi 26,1 proc. i jest efektem prac niemieckiego instytutu Fraunhofer ISE.
Z kolei rekordowa sprawność ogniwa polikrystalicznego przy braku koncentracji światła słonecznego wynosi 23,3 proc. i została wypracowana przez chińską firmę JinkoSolar. NREL nie podaje wyniku dla ogniwa typu polikrystalicznego w warunkach koncentracji światła słonecznego.
W zestawieniu NREL brakuje ostatniego wyniku chińskiej firmy Canadian Solar, która poinformowała o osiągnięciu wyniku sprawności pełnowymiarowego, polikrystalicznego ogniwa PERC typu N na poziomie 23,81 proc., co oznacza poprawę aż o 1 punkt procentowy w stosunku do ostatniego rekordowego wyniku. Taki wynik potwierdzono w badaniach niemieckiego instytutu Fraunhofer ISE na ogniwie w rozmiarach 157 x 157 mm, w którym wykorzystano technologię określaną jako PASCon (Passivated Contact).
Natomiast rekordowe sprawności ogniw cienkowarstwowych wynoszą 23,4 proc. – dla technologii CIGS, a także 22,1 proc. dla ogniw CdTe.
Obecnie ogniwa produkowane na seryjnych liniach produkcyjnych w technologiach mono- i polikrystalicznej zbliżają się do poziomu około 23 proc.
Wdrożenie ogniw do seryjnej produkcji przekłada się na zredukowanie sprawności osiąganych w warunkach laboratoryjnych. Dodatkowo część początkowej sprawności ogniw jest tracona na poziomie produkcji modułu fotowoltaicznego.
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.
