Rozwój nowej koncepcji

Konwencjonalne ogniwa krzemowe posiadają absolutną teoretyczną maksymalną wydajność wynoszącą około 29,1% konwersji energii słonecznej. Dzięki nowej metodzie opracowanej w ciągu ostatnich kilku lat przez naukowców z MIT możliwe jest przekroczenie tego limitu, co spowoduje wzrost maksymalnej wydajności o kilka punktów procentowych. Koncepcja nowej technologii znana jest już od wielu lat, lecz rzeczywiste wykorzystanie metody do opracowania działającego ogniwa krzemowego wymagało wielu lat ciężkiej pracy. Wstępna demonstracja była dobrą platformą testową, pokazującą, że pomysł może działać. Dzięki osiągniętym wynikom udało się osiągnąć to co było założone. Początkowe badanie, dokonane w organicznej komórce fotowoltaicznej, która jest mniej wydajna niż krzemowe ogniwo słoneczne, potwierdziło wytwarzanie dwóch elektronów z jednego fotonu. Lecz transfer dwóch elektronów z górnej absorbującej warstwy, wykonanej z tetracenu do komórki krzemowej nie był prostą czynnością. Koncepcja ta została po raz pierwszy zaproponowana w latach 70, a przekształcenie jej w praktyczne zastosowanie zajęło 40 lat.

Właściwości materiałów ekscytonowych

Kluczem do rozdzielenia energii jednego fotonu na dwa elektrony jest klasa materiałów, które posiadają stany wzbudzone zwane ekscytonami-kwazicząsteczki powstałe w wyniku korelacji elektronu i dziury. W takich materiałach energia rozprzestrzenia się wewnątrz tak jak elektrony w obwodzie, lecz cechą specyficzną są właściwości inne niż elektronów. Materiał z ekscytonami można użyć do zmiany energii np. poprzez cięcie na drobniejsze części lub łączenie. Proces zmiany energii zwany jest rozszczepieniem singletowego ekscytonu. Polega on na podziale energii światła na dwie oddzielne, niezależnie poruszające się wiązki energii. Materiał najpierw absorbuje foton, tworząc ekscyton, który szybko ulega rozszczepieniu na dwa stany wzbudzone, każdy o połowie energii stanu pierwotnego.

Warstwa pośrednia kluczowym elementem

Trudniejszym zadaniem było połączenie tej energii z krzemem, materiałem, który nie jest ekscytonowy. W tym celu zespół podjął pośredni etap polegający na połączeniu energii z warstwy ekscytonowej z materiałem zwanym kropkami kwantowymi- nazywany tak, gdyż wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Wykonane procesy wykazały, że kluczem do transferów energii jest sama powierzchnia materiału, a nie jego masa. Skupienie się na chemii powierzchni jest tym, co pozwoliło zespołowi odnieść sukces. Najistotniejsza dla poprawnego zadziałania procesu okazała się cienka warstwa pośrednia, maleńki pasek materiału na styku dwóch systemów. Warstwa pośrednia ma tylko kilka atomów grubości, ale działała jak most dla stanów wzbudzonych. Umożliwiło to pojedynczym wysokoenergetycznym fotonom na uwolnienie dwóch elektronów wewnątrz komórki krzemowej. Powoduje to podwojenie ilości energii wytwarzanej przez daną ilość światła słonecznego w niebieskiej i zielonej części widma. Ogólnie rzecz biorąc, może to spowodować wzrost mocy wytwarzanej przez ogniwo słoneczne – z teoretycznego maksimum 29,1 %, do maksymalnie około 35 %.

Kontynuacja prac nad poprawą wydajności

Rzeczywiste ogniwa krzemowe nie osiągnęły jeszcze maksimum wydajności, a materiały, z których są wykonane nie należą do nowych. Dlatego należy wykonać więcej prac rozwojowych, lecz skuteczność połączenia dwóch materiałów została już udowodniona. Konieczna do wykonania jest optymalizacja ogniw krzemowych.

Nowe ogniwa powinny być cieńsze niż obecne wersje. Należy również wykonać prace nad stabilizacją materiałów pod kątem trwałości. Ogólnie rzecz biorąc, na komercyjne zastosowanie, konsumenci będą musieli prawdopodobnie poczekać jeszcze kilka lat.

Inny proces poprawiający wydajność ogniw słonecznych polega na dodawaniu do krzemu warstwy perowskitu. Buduje się jedną komórkę na drugiej z czego komórka z perowskitu jest w pewnym sensie turbodoładowaniem dla komórki krzemowej. Takie rozwiązanie dostarcza więcej prądu do krzemu.

Ponadto naukowcy odkryli jedną szczególną właściwość tlenoazotku hafnu. Związek ten generuje dodatkowy ładunek, co zmniejsza straty w procesie pasywacji pola elektrycznego. Jeżeli uda się uzyskać lepszą kontrolę nad tym zjawiskiem, wydajności mogą wzrosnąć jeszcze bardziej.

Redakcja GLOBEnergia