Nowa nadzieja z Indii: ogniwa słoneczne pozbawione ołowiu
Zespół z Visvesvaraya National Institute of Technology przedstawił koncepcję, która może zmienić reguły gry. Ich symulacja ogniwa tandemowego osiągnęła wydajność 26,06%. A wszystko to całkowicie bez użycia ołowiu. Chodzi o wynik, który każe się zastanowić, czy wreszcie udało się znaleźć godnego następcę toksycznych wariantów. Naukowcy postawili na połączenie perowskitu germanowego CsGeI3 z technologią CIGS w strukturze tandemowej. To nie jest proste zestawienie, ponieważ każdy z tych materiałów ma inne właściwości optyczne i elektryczne, które muszą idealnie ze sobą współgrać. Górna warstwa wykorzystuje perowskit z germanem zamiast ołowiu, charakteryzujący się przerwą energetyczną 1,6 eV i grubością zaledwie 273 nanometrów. Dolna część oparta na CIGS ma węższą przerwę 1,1 eV i jest niemal czterokrotnie grubsza. Ta różnica pozwala ogniwom efektywniej wykorzystywać różne zakresy widma słonecznego.
Czytaj też: Stuletnia teoria potwierdzona. Naukowcy zorganizowali przełomowe eksperymenty z pęcherzykami
Obecne badanie koncentruje się na minimalizacji strat związanych z ogniwami słonecznymi z pojedynczym złączem, takich jak straty termalizacji i transmisji, poprzez zastosowanie nowatorskiej struktury urządzenia składającej się z perowskitu (CsGeI3) i CIGS — wyjaśnia Sushama M. Giripunje, główna autorka badania
Symulacje wykonane w oprogramowaniu SCAPS 1D pokazały parametry, które mogą konkurować z komercyjnymi rozwiązaniami. Napięcie obwodu otwartego wyniosło 1,73 V, gęstość prądu zwarcia 19,32 mA/cm², a współczynnik wypełnienia 77,98%. Dla porównania: pojedyncze ogniwa osiągały wydajności odpowiednio 16,93% i 16,49%. Połączenie ich w strukturę tandemową dało skok do 26,06%, co stanowi wzrost o prawie 54% w stosunku do najlepszego z pojedynczych komponentów. Badacze sprawdzili też wpływ grubości warstw, rezystancji pasożytniczej, temperatury i innych parametrów na końcową wydajność. Tak szczegółowe podejście zwiększa szanse na powodzenie przy fizycznej implementacji projektu.
Toksyczne dziedzictwo fotowoltaiki i długa droga do komercjalizacji
Problem zanieczyszczeń w fotowoltaice nie ogranicza się do ołowiu. W różnych typach ogniw znajdziemy też kadm, tellur czy selen. Są to pierwiastki, które przy nieodpowiednim utylizowaniu mogą stanowić poważne zagrożenie dla środowiska. Ołów w tradycyjnych perowskitach to szczególnie kłopotliwy temat. Metal ten powoduje uszkodzenia neurologiczne, zwłaszcza u dzieci, a jego obecność w ogniwach słonecznych budzi obawy regulatorów na całym świecie. Poszukiwanie alternatyw przypomina nieco walkę z hydrą, gdyż rozwiązując jeden problem, często tworzymy kolejne. German oferuje doskonałe właściwości optoelektroniczne, ale jego wydobycie jest kosztowne. Cyna jest tańsza, ale mniej stabilna chemicznie. Bizmut jest bezpieczny, lecz trudny w przetwarzaniu. Związki organiczne są całkowicie bezpieczne, ale wciąż mają zbyt niską wydajność.
Czytaj też: Słoneczne generatory termoelektryczne z 15-krotnie wyższą wydajnością! Co za skok nowej technologii
Oczywiście ostatnie doniesienia opierają się na symulacjach, a prawdziwy test czeka naukowców przy budowie fizycznego prototypu. Perowskity, nawet te bez ołowiu, są niezwykle wrażliwe na wilgoć, tlen i promieniowanie UV. Długoterminowa stabilność pozostaje ich największym wyzwaniem. Technologia CIGS jest już komercyjnie dostępna, co nieco ułatwia sprawę. Firmy takie jak Solar Frontier czy MiaSolé produkują ogniwa CIGS od lat, osiągając w laboratoriach wydajności przekraczające 20%. W związku z tym Giripunje mówi o obiecująccej drodze do rozwoju wysokowydajnych, niskokosztowych tandemowych ogniw słonecznych. Jeśli indyjskim badaczom uda się przenieść wyniki symulacji do rzeczywistości, może to otworzyć nowy rozdział w fotowoltaice. Połączenie wydajności powyżej 26% z brakiem toksycznych składników to marzenie, które wreszcie może się spełnić. Ale zanim to nastąpi, czeka nas jeszcze wiele testów oraz prób.