Pierwsze takie ogniwa słoneczne na świecie. Ich wydajność zwala z nóg

Hiszpańscy naukowcy stworzyli potężne ogniwa słoneczne na bazie fosforku galu i tytanu, które potencjalnie mogą zapewnić wydajność konwersji energii na poziomie 60 procent. Czy czas pożegnać krzem?
Ogniwa słoneczne – zdjęcie poglądowe /Fot. Unsplash

Ogniwa słoneczne – zdjęcie poglądowe /Fot. Unsplash

Naukowcy z Universidad Complutense de Madrid chcą zbudować pierwsze ogniwa słoneczne oparte na fosforku galu (GaP) i tytanie (Ti). Celem tych badań jest zwiększenie efektywności ogniw poprzez wprowadzenie tzw. pasma pośredniego (IB), co może umożliwić przekroczenie limitu teoretycznej wydajności klasycznych ogniw słonecznych. Szczegóły opisano w czasopiśmie Materials Today Sustainability.

Takie ogniwa mogą odmienić światową branżę energetyczną, ale musimy na nie poczekać

Panele słoneczne na bazie krzemu mogą wykorzystać tylko część padającego na nie światła słonecznego, oddając resztę w postaci ciepła. Górnym limitem energii, jaką dane ogniwo może przekształcić w energię elektryczną, jest tzw. granica Shockley Queisser (SQ). Można ją obliczyć teoretycznie, biorąc pod uwagę energię fotonu na pojedynczym złączu p-n i straty widoczne w ogniwie słonecznym.

Czytaj też: Chińczycy z kolejnym rekordem! Takie ogniwa słoneczne to prawdziwy skarb

Dla klasycznego ogniwa krzemowego (z jednym złączem półprzewodnikowym), ten limit wynosi około 33,7 proc. Oznacza to w praktyce, że w najlepszym przypadku nawet najwyższej jakości ogniwo słoneczne, jakie kiedykolwiek wyprodukowano, nadal nie będzie w stanie wykorzystać 77,3 proc. padającego na nie światła słonecznego. Ale użycie innego materiału niż krzem, podniosłoby granicę SQ, zwiększając tym samym wydajność wytwarzania energii elektrycznej.

Prof. Javier Olea Ariza i jego zespół z Universidad Complutense de Madrid od ponad 15 lat pracują z fosforkiem galu (GaP) i tytanem (Ti), próbując stworzyć bardziej wydajne ogniwa słoneczne. Ponieważ limit SQ zależy od przerwy energetycznej materiału półprzewodnikowego, prof. Ariza wybrał GaP, którego przerwa energetyczna wynosi 2,26 eV. Zespół zbudował ogniwo słoneczne o rozmiarze 1 cm2 z absorberem GaP: tytanem nie grubszym niż 50 nm i metalowymi stykami ze złota i germanu.

Eksperymentalne urządzenie zbudowane przez hiszpańskich naukowców /Fot. Universidad Complutense de Madrid

Poprzez serię eksperymentów z pomiarami transmisji i odbicia zespół odkrył, że ogniwo słoneczne ma szerokie pasmo ze względu na zwiększoną absorpcję światła przy długości fali powyżej 550 nm. Jest to prawdopodobnie spowodowane zastosowaniem tytanu w konfiguracji. Teoretyczny potencjał struktury wynosi około 60 proc.

Prof. Javier Olea Ariza mówi:

Wyniki potwierdzają, że materiał GaP:Ti ma bardzo wysoki współczynnik absorpcji przy energiach poniżej 550 nm, co jest jednym z celów tej pracy. Nie ma sensu myśleć o komercjalizacji tej technologii, dopóki nie będziemy mieć prototypu laboratoryjnego, w którym rozwiązaliśmy problemy i który będzie miał wysoką wydajność.

W przyszłych pracach naukowcy chcą dążyć do uzyskania grubszych warstw GaP:Ti, które zostaną zintegrowane w wysoce wydajnych urządzeniach fotowoltaicznych. Myślą także nad zastosowaniem technik osadzania (jak rozpylanie) zamiast implantacji jonów, aby osiągnąć tę grubość.