Chińska rewolucja w fotowoltaice. Problemowa warstwa odporniejsza na uszkodzenia

Perowskity, czyli grupa minerałów, która wykazuje wyjątkowe właściwości, w tym wysoką zdolność do absorpcji światła, może też efektywnie przekształcać światło słoneczne w energię elektryczną, zyskują coraz większą popularność w produkcji ogniw fotowoltaicznych, głównie ze względu na ich dostępność i niską cenę. Jednak dotychczas ich wadą była podatność na uszkodzenia, szczególnie w warstwie transportującej dziury, która odpowiada za przesyłanie ładunków dodatnich po uderzeniu światła w moduł. Chińscy badacze opracowali nową, wytrzymałą warstwę.

Chiny rozwiązały problem i opracowały elastyczne ogniwo słoneczne

Chińscy naukowcy postanowili rozwiązać ten problem i przeprowadzili badania, które doprowadziły do opracowania nowej, samoorganizującej się warstwy. Zespół badaczy z Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) podkreśla, że kluczowe znaczenie miała właśnie ta warstwa, która nie tylko zwiększyła wytrzymałość, ale także poprawiła wydajność ogniw. Chińscy naukowcy z NIMTE ogłosili opracowanie elastycznego ogniwa słonecznego, które łączy dwie warstwy absorbujące światło: górną z perowskitu oraz dolną wykonaną z CIGS (selenek miedzi, indu i galu). Dzięki połączeniu tych dwóch półprzewodników o różnych przerwach energetycznych możliwe stało się efektywniejsze wykorzystanie szerokiego zakresu widma światła słonecznego niż w przypadku tradycyjnych ogniw jednowarstwowych. W rezultacie uzyskano znacznie wyższą sprawność niż w dotychczasowych ogniwach perowskitowych, które do tej pory nie dorównywały klasycznym panelom krzemowym.

Chociaż na świecie prowadzone są liczne badania nad optymalizacją ogniw perowskitowych, jak choćby te z MIT, to jednak zespół z NIMTE osiągnął wyraźny postęp. W artykule naukowym zamieszczonym w "Nature Energy", kluczowa innowacja chińskich badaczy dotyczyła interfejsu pomiędzy warstwami perowskitu i CIGS. Zazwyczaj powierzchnia CIGS jest nierówna, co utrudnia uzyskanie wysokiej jakości warstwy perowskitu, a tym samym ogranicza wydajność i stabilność elastycznych ogniw tandemowych. Zespół z NIMTE rozwiązał ten problem, wdrażając autorską metodę osadzania warstw, która pozwoliła na skuteczne połączenie obu materiałów.

Obejrzyj w

Dzięki tej innowacji udało się osiągnąć parametry, które dotąd były poza zasięgiem technologii perowskitowych. Elastyczne ogniwo tandemowe perowskit/CIGS uzyskało stabilizowaną wydajność konwersji energii słonecznej na poziomie 24,6 proc., a certyfikowana wartość wyniosła 23,8 proc. To rezultat porównywalny z najlepszymi sztywnymi ogniwami krzemowymi i jeden z najwyższych wyników wśród elastycznych cienkowarstwowych ogniw słonecznych, przewyższający wcześniejsze innowacyjne panele fotowoltaiczne.

To pozwoli wykorzystać fotowoltaikę tam, gdzie sztywne panele by się nie sprawdziły

Ważnym osiągnięciem jest także wyjątkowa trwałość mechaniczna nowego ogniwa. Po przeprowadzeniu 3000 cykli zginania z promieniem 1 cm, urządzenie zachowało ponad 90 proc. początkowej sprawności. Dotychczas to właśnie odporność na zginanie stanowiła poważną przeszkodę w rozwoju elastycznych ogniw perowskitowych. Otwiera to drogę do szerokiego zastosowania elastycznych paneli perowskitowych w miejscach, gdzie tradycyjne, sztywne panele nie sprawdzają się. Możliwe zastosowania obejmują integrację z fasadami i dachami budynków, pojazdami – takimi jak samochody czy drony – urządzeniami przenośnymi, a nawet sektor kosmiczny, gdzie liczy się niska masa i elastyczność. Fakt, że wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym Nature Energy, podkreśla wagę tego osiągnięcia.

Warto przypomnieć, że rewolucja perowskitowa ma także polski akcent. Choć perowskity znane są od XIX wieku, to przełom w ich zastosowaniu w fotowoltaice zawdzięczamy Oldze Malinkiewicz. To właśnie ona opracowała i opatentowała innowacyjną, niskotemperaturową metodę drukowania ogniw perowskitowych na elastycznych foliach. Jej firma, Saule Technologies, jako jedna z pierwszych na świecie uruchomiła pilotażową linię produkcyjną i wprowadziła te ogniwa do pierwszych zastosowań komercyjnych. 

Mimo tych sukcesów, obecnie to Chiny prowadzą globalny wyścig o masową produkcję i dominację na rynku perowskitów, inwestując intensywnie w różne technologie, w tym w opisane wysoce wydajne ogniwa tandemowe. To właśnie Państwo Środka może w największym stopniu wykorzystać potencjał tych przełomowych materiałów.

Źródło: Nature Energy, zdjęcie: Adobe Stock