Uniwersytet w Uppsali jest nowym rekordzistą świata w wytwarzaniu energii elektrycznej z ogniw słonecznych CIGS. Nowy rekord świata to wydajność na poziomie 23,64%. Pomiaru dokonał niezależny instytut, a wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Energy.
Rekord jest wynikiem współpracy firmy First Solar European Technology Centre (wcześniej znanej jako Evolar) z badaczami ogniw słonecznych na Uniwersytecie w Uppsali.
„Pomiary, które sami wykonaliśmy dla tego ogniwa słonecznego i innych ogniw słonecznych wyprodukowanych niedawno, mieszczą się w marginesie błędu niezależnego pomiaru. Pomiar ten zostanie również wykorzystany do wewnętrznej kalibracji naszych własnych metod pomiarowych” – mówi Marika Edoff, Profesor technologii ogniw słonecznych na Uniwersytecie w Uppsali, odpowiedzialny za badanie.
Poprzedni rekord świata wynosił 23,35 proc. (Solar Frontier, Japonia), przed 22,9 proc. (ZSW, Niemcy). Uniwersytet w Uppsali był już rekordzistą, po raz pierwszy w latach 90. XX w. w ramach współpracy badawczej Euro-CIS.
„Kiedyś byliśmy także rekordzistami w kategorii prototypów połączonych szeregowo. Mimo że minęło już sporo czasu, odkąd ustanowiliśmy rekord ogniwa, często byliśmy tuż za najlepszymi wynikami i oczywiście istnieje wiele istotnych aspektów do rozważenia , takie jak potencjał skalowania do procesu na dużą skalę, w którym zawsze byliśmy w czołówce” – mówi Edoff.
Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) na całym świecie szybko rośnie liczba ogniw słonecznych, a energia słoneczna odpowiadała za nieco ponad 6 procent energii elektrycznej na całym świecie w 2022 r. Najlepsze moduły słoneczne z krzemu krystalicznego, który jest najczęściej stosowanym materiałem w ogniwach słonecznych, przekształcają obecnie ponad 22 procent światła słonecznego w energię elektryczną, a nowoczesne ogniwa słoneczne są zarówno tanie, jak i stabilne w dłuższej perspektywie.
Jednym z celów badań nad ogniwami słonecznymi jest osiągnięcie wydajności przekraczającej 30% przy rozsądnych kosztach produkcji. Bardzo często skupia się się na tandemowych ogniwach słonecznych, ponieważ są one bardziej wydajne, ale jak dotąd są one zbyt kosztowne, aby można je było stosować na dużą skalę.
Rekord świata wynoszący 23,64 proc. został ustanowiony przez niezależny instytut Fraunhofer ISE w Niemczech. W artykule naukowym przedstawiono dokładną analizę materiałową i elektryczną ogniwa słonecznego oraz porównanie z wcześniejszymi zapisami dotyczącymi tego samego typu ogniw słonecznych z innych instytucji badawczych.
Najważniejszymi właściwościami ogniwa słonecznego jest zdolność pochłaniania światła i zdolność przenoszenia energii do obciążenia elektrycznego. Aby to się powiodło, materiał musi być w stanie wchłonąć optymalną porcję światła słonecznego, unikając jednocześnie marnowania tej energii na przekształcanie jej w ciepło w ogniwie słonecznym.
Ogniwa słoneczne CIGS składają się z tafli szkła wykonanej ze zwykłego szkła okiennego, która została pokryta kilkoma różnymi warstwami, z których każda ma określone zadanie. Materiał pochłaniający światło słoneczne składa się z miedzi, indu, galu i selenku (stąd akronim CIGS), z dodatkami srebra i sodu. Warstwa ta jest umieszczona w rzeczywistym ogniwie słonecznym, pomiędzy tylnym stykiem metalicznego molibdenu a przezroczystym przednim stykiem. Aby ogniwo słoneczne było jak najskuteczniej oddzielać elektrony, warstwę CIGS poddaje się działaniu fluorku rubidu. Równowaga między dwoma metalami alkalicznymi, sodem i rubidem, oraz skład warstwy CIGS mają kluczowe znaczenie dla wydajności konwersji, tj. części pełnego widma słonecznego przekształcanego w ogniwie słonecznym na energię elektryczną.
Kiedy instytuty pomiarowe przeprowadzają testy, mierzą wydajność ogniw słonecznych za pomocą przefiltrowanego światła, które naśladuje słońce zarówno pod względem intensywności, jak i widma. Podczas pomiaru ogniwo słoneczne utrzymywane jest w kontrolowanej temperaturze, a niezależne instytuty regularnie przesyłają sobie nawzajem kalibracyjne ogniwa słoneczne. Aby zostać zarejestrowanym jako rekord świata, wymagany jest niezależny pomiar, który w tym przypadku przeprowadził instytut pomiarowy Fraunhofer ISE.
„Nasze badanie pokazuje, że technologia cienkowarstwowa CIGS stanowi konkurencyjną alternatywę w przypadku samodzielnego ogniwa słonecznego. Technologia ta ma również właściwości, które mogą funkcjonować w innych kontekstach, np. w dolnym ogniwie tandemowego ogniwa słonecznego” – mówi Edoff.
Aby lepiej zrozumieć korelację między wydajnością a strukturą ogniwa słonecznego, zastosowano kilka zaawansowanych metod pomiarowych: materiał z ogniwa słonecznego scharakteryzowano za pomocą nano-XRF (spektroskopii fluorescencji rentgenowskiej) w ośrodku MAX IV w Lund, gdzie przeprowadzono dokładną analizę składu. Transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM) o wysokiej rozdzielczości wykorzystano do badania przekrojów poprzecznych ogniwa słonecznego, zarówno składu w funkcji głębokości, jak i sposobu budowy ziaren kryształów, a także granic międzyfazowych między warstwami. Wykorzystując fotoluminescencję, zbadano widmo światła emitowanego przez ogniwo słoneczne po wzbudzeniu laserem, aby zrozumieć, jak dobrze ogniwo słoneczne radzi sobie z elektronami wewnętrznie. Ogniwo słoneczne, które świeci jasno, ma mniejszy udział w wewnętrznych stratach ciepła niż ogniwo słoneczne, które świeci słabo. Wreszcie, do analizy domieszkowania materiału CIGS zastosowano elektryczne metody pomiarowe.
„Fakt, że jesteśmy obecnie rekordzistami świata, wiele znaczy zarówno dla Uniwersytetu w Uppsali, jak i Pierwszego Europejskiego Centrum Technologii Słonecznej. W przypadku technologii CIGS, która jest znana z wysokiej niezawodności, rekord świata oznacza również, że może ona stanowić realną alternatywę dla nowych zastosowań np. w tandemowych ogniwach słonecznych. Jest to ważne dla naszych kolegów badawczych na całym świecie. Mamy nadzieję, że analizy właściwości materiałowych i elektrycznych będą podstawą do dalszej poprawy wydajności” – podsumowuje Edoff.