Nowy rekord wydajności ogniw fotowoltaicznych dzięki perowskitom. Technologię rozwijają także Polacy

Naukowcom udało się ustalić nowy rekord wydajności ogniw fotowoltaicznych. Przełomowe panele wykorzystują do przechwytywania energii słonecznej perowskitowe półprzewodniki i są w stanie zachować wysoką efektywność energetyczną nawet po setkach godzin funkcjonowania. Nowa technologia pozwoli zwiększyć wydajność elektrowni słonecznych bez jednoczesnego zwiększania zajmowanej przez nie powierzchni.

Wyścig o poprawę efektywności energetycznej paneli fotowoltaicznych trwa od lat. W 2018 roku brytyjscy naukowcy z firmy Oxford Photovoltaics stworzyli ogniwa o rekordowej wydajności rzędu 28 proc., na pobicie tego wyniku trzeba było poczekać kilka lat. Już w styczniu 2020 roku zespół naukowców z Helmholtz-Zentrum Berlin ogłosił, że udało im się zaprojektować i skonstruować ogniwa o doświadczalnej wydajności rzędu 29,15 proc., ale dopiero przyznanie certyfikatu Fraunhofer ISE pozwoliło oficjalnie uznać ten nowy rekord.

– Opracowaliśmy  specjalną warstwę kontaktową elektrody perowskitowo-krzemowego ogniwa, a także ulepszyliśmy warstwy pośrednie – wskazuje doktorant Eike Köhnen z zespołu prof. Steve’a Albrechta w instytucie Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). – Wydajność 29,15 proc. to nie tylko rekord dla tej technologii, lecz także najwyższy wynik dla całej kategorii fotowoltaicznej w dokumentacji prowadzonej przez amerykańską agencję National Renewable Energy Laboratory.

Tak wysoką wydajność udało się wypracować dzięki zastosowaniu paneli fotowoltaicznych o unikatowej konstrukcji, które wykorzystują dwa półprzewodniki o odmiennej szerokości przerwy energetycznej. Podnieść wydajność prototypowych ogniw pozwoliło wykorzystanie pary komórek półprzewodnikowych o różnych właściwościach. Dzięki temu zespół był w stanie przechwytywać szersze spektrum wiązki promieni świetlnych. Hybrydowy perowskitowo-krzemowy panel zaprojektowany przez HZB przechwytywał zarówno światło widzialne, jak i część spektrum podczerwieni.

– Najpierw przygotowaliśmy idealne podłoże, na którym leży perowskit – tłumaczy Amran Al-Ashouri, doktorant z grupy Albrechta. – W szczególności zoptymalizowaliśmy tak zwany współczynnik wypełnienia, na który wpływa liczba utraconych nośników ładunku po drodze z ogniwa perowskitowego.

Warto zauważyć, że ta nietypowa konstrukcja tylko nieznacznie podwyższyła koszt wyprodukowania panelu. Przed naukowcami jest jednak jeszcze daleka droga do upowszechnienia tej technologii. Choć udało się dowieść, że nowe ogniwa po 300 godzinach pracy wciąż zachowują 95 proc. wydajności, model eksperymentalny miał niewielkie wymiary, zaledwie 1 cm². Kolejnym krokiem na drodze do wdrożenia tych hybrydowych paneli do dystrybucji będzie przeskalowanie procesu produkcyjnego.

– Jestem pewny, że możemy osiągnąć ponad 30 proc. efektywności w ramach tej technologii – przekonuje prof. Steve Albrecht z instytutu Helmholtz-Zentrum Berlin.

Z perowskitowymi ogniwami fotowoltaicznymi eksperymentuje również polska firma Saule Technologies, która buduje pierwszą na świecie fabrykę perowskitowych ogniw słonecznych. Powstanie ona we Wrocławiu i będzie specjalizować się w produkcji m.in. elastycznych i transparentnych paneli, które można wykorzystywać w nowoczesnym budownictwie. Ogniwa tego typu są na tyle cienkie i lekkie, że można stosować je w roli pokrycia dachów bądź fasad budynków.