Nowy typ ogniw słonecznych na horyzoncie

Nowy typ ogniw słonecznych na horyzoncie

Do tej pory ogniwa słoneczne oparte na krzemie były najpopularniejszym rodzajem ogniw fotowoltaicznych bardziej ze względu na najniższe koszty produkcji, niż wysoką sprawność. Trwające w laboratoriach National Renewable Energy Laboratory (NREL) w Stanach Zjednoczonych badania nad ogniwami krzemowymi mogą wkrótce to zmienić.

Naukowcy z NREL odkryli, że wykorzystując nanokryształy krzemu z jednego fotonu można otrzymać dwa, a nawet trzy, elektrony. Typowe ogniwa słoneczne wytwarzają tylko jeden elektron z pojedynczego fotonu przechwytywanego światła słonecznego. Do tej pory większą niż 1 ilość elektronów z pojedynczego fotonu udało się uzyskać z bardzo rzadkich materiałów, ale po raz pierwszy ten sam efekt osiągnięto z wykorzystaniem krzemu. Według badaczy z NREL ich odkrycie może doprowadzić do powstania nowego rodzaju ogniw solarnych, które będą nie tylko tanie ale będą również dysponować ponad dwukrotnie większą sprawnością w porównaniu z obecnie stosowanymi ogniwami fotowoltaicznymi.

Dodatkowe elektrony podobnie jak w przypadku innych materiałów pozwalających na ich uzyskanie pochodzą z fotonów światła niebieskiego i ultrafioletu, które mają dużo większą energię niż fotony światła o większej długości fal, zwłaszcza czerwonego i podczerwieni. W większości ogniw solarnych dodatkowa energia zawarta w świetle niebieskim i ultrafiolecie marnuje się i zamiast w energię elektryczną zamieniana jest w energię cieplną. Dzięki wykorzystaniu mikroskopijnych nanokryształów, zwanych także kropkami kwantowymi, udało się osiągnąć nowe efekty kwantowo-mechaniczne, które zamieniają tą energię nie w ciepło, lecz w elektrony.

Z szacunków naukowców z NREL wynika, że ogniwa słoneczne wykonane z nanokryształów krzemu mogłyby osiągnąć sprawność na poziomie ponad 40%. Dla porównania moduły solarne umieszczane obecnie na dachach osiągają maksymalną sprawność na poziomie lekko przekraczającym 20%, choć teoretycznie mogłyby osiągać około 30%. Układy koncentrujące światło słoneczne wyposażone w lustra lub soczewki i oparte na zwykłym krzemie osiągają sprawność około 40%, ale zastosowanie tych samych układów w połączeniu z ogniwami opartymi na nanokryształkach krzemu zwiększyłoby sprawność zamiany energii świetlnej na elektryczną do ponad 60%.

Przy swojej wysokiej sprawności ogniwa słoneczne zbudowane z nanokryształków krzemu pozostałyby stosunkowo tanie w porównaniu z zaawansowanymi ogniwami wielozłączowymi osiągającymi sprawność na podobnym poziomie (przekraczającą 40%). Do budowy ogniw wielozłączowych konieczne jest zastosowanie skomplikowanych i kosztownych procesów produkcyjnych, w których dostosowuje się półprzewodniki do różnych zakresów widma słonecznego. Nanokryształy krzemu są z kolei stosunkowo tanie w produkcji, nawet porównując z materiałem używanym w klasycznych ogniwach słonecznych.

Nanokryształy krzemu mają również tą przewagę nad innymi materiałami nanokrystalicznymi pozwalającymi na otrzymanie większej ilości elektronów z pojedynczego fotonu, że są bardziej dostępne i bezpieczniejsze. Niektóre z tych materiałów zawierają toksyczne składniki, takie jak ołów i kadm, a inne zbudowane są z indu, którego zasoby są ograniczone.

Naukowcy z NREL pracują obecnie nad modelem demonstracyjnym ogniwa słonecznego zbudowanego z nanokryształów krzemu. Ponieważ dodatkowe elektrony uzyskane z pojedynczego fotonu ulegają szybkiej neutralizacji największym wyzwaniem w tym przypadku jest wypracowanie metody ich pozyskania ze struktury nanokryształu i przeprowadzenia od obwodu zewnętrznego jako prąd elektryczny.

(au)