Ogniwa słoneczne oparte są na efekcie fotowoltaicznym, polegającym na zamianie energii promieniowania słonecznego w energie elektryczną. Maksymalna wartość sprawności konwersji zależy od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnikowego absorbera promieniowania słonecznego. Zależność tą określa tzw. limit Shockleya-Queissera. Zgodnie z tym limitem, maksymalna wartość sprawności wynosi ok. 32.9 % dla półprzewodnika posiadającego przerwę energetyczną Eg ok. 1.4 eV.
Dla krzemu (Eg =1.12 eV) maksymalna wartość sprawności Eff = ok. 32.2%. Występowanie takiego ograniczenia sprawności spowodowane jest tym, że tylko część energii promieniowania słonecznego może być zamieniona w prąd elektryczny. Fotony o energii mniejszej od przerwy energetycznej nie są absorbowane, z kolei te które są absorbowane generują tylko jedną parę nośników elektron-dziura a nadmiar ich energii zamieniana jest w ciepło.
Obecnie produkowane krzemowe ogniwa słoneczne mają już bardzo wysokie sprawności i niezwykle trudno będzie uzyskać dalszy ich wzrost, z czym związane byłyby duże nakłady. Dlatego też, obiecującym rozwiązaniem jest połączenie krzemu z innym półprzewodnikiem o odpowiednio dobranej przerwie energetycznej w celu lepszego wykorzystania widma słonecznego. Ogniwa te to tzw. ogniwa tandemowe. Ponieważ krzem ma przerwę energetyczną 1.12 eV, potrzebny jest drugi materiał o większej przerwie energetycznej. Na podstawie symulacji komputerowych materiał ten powinien mieć przerwę około 1.7 eV. Ogniwo o takiej przerwie byłoby ogniwem górnym absorbującym promieniowanie z zakresu fal krótkich, natomiast ogniwo krzemowe wykorzystywałoby część promieniowania długofalowego (czerwone i podczerwone), które nie zostałoby absorbowane przez ogniwo górne. W poszukiwaniu ogniwa o optymalnej przerwie energetycznej okazało, się że najlepiej nadają do tego celu perowskity, a właściwie pewna grupa perowskitów tzw. halogenkowych organiczno-nieorganicznych, o których pisaliśmy wcześniej [1]. Materiały te mają tą ważną właściwość, że można sterować ich przerwą energetyczną w dużym zakresie np. 1.5 – 2.3 eV poprzez dobór odpowiedniego składu chemicznego. Jeśli do najczęściej używanych perowskitów takich jak MAPbI3 lub FAPbI3 w miejsce jonów jodu doda się częściowo jony bromu, wówczas można uzyskać wzrost przerwy energetycznej i uzyskać dla określonego składu wartość optymalną 1.7 eV. Ponieważ ogniwa tego typu oparte są na komercyjnych ogniwach kremowych, byłyby produkowane przy niewielkich dodatkowych kosztach. Tego typu rozwiązanie jest więc niezwykle atrakcyjne dla przemysłu fotowoltaicznego. Technologia jest już na tyle dojrzała, że kilka firm rozpoczęło lub planuje w najbliższym czasie ich produkcję. Różne firmy wykorzystują odmienne koncepcje ogniw tandemowych perowskit/krzem. Ogólnie można je podzielić na dwa typy różniące się konstrukcją: są to ogniwa czteroelektrodowe (4-terminal, 4T), zbudowane z dwu ogniw połączonych mechanicznie i monolityczne, dwuelektrodowe (2-terminal, 2T) (Rys. 1).
Ogniwa tandemowe 4T maja bardzo prostą konstrukcję, są to dwa niezależne ogniwa. Jedynym warunkiem jest, by tylna elektroda ogniwa perowskitowego była przezroczysta. Rekordową sprawność ponad 30 % uzyskało Solliance Solar Research w Eidhoven (w 2022 r.) ze swoimi partnerami (Holenderska Organizacja Zastosowań Nauki (TNO), Uniwersytet Techniczny w Eindhoven, Międzyuczelniane Centrum Mikroelektroniki w Belgii (IMEC) i Uniwersytet Techniczny w Delft) [2]. W technologii tej użyto ogniwa krzemowego typu PERC. Podobne sprawności uzyskano dla innych topowych technologii ogniw krzemowych takich jak: ogniwa z tylnym kontaktem (metal wrap through and interdigitated back contact cells) oraz ogniwa typu TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact).
Bardziej atrakcyjne od ogniw 4T są ogniwa monolityczne 2T,gdyż ich cena może być mniejsza i łatwiejsza jest ich aplikacja w systemach PV w porównaniu z ogniwami 4T. Ostatni rekord sprawności ogniwa tandemowego perowskit/krzem uzyskanego [3,4] w Helmholtz-Zentrum w Berlinie (HZB) wynosi 32.5%. Ogniwa tandemowe zarówno 4T, jak i 2T uzyskują więc sprawności większe od rekordowej sprawności ogniwa z krzemu krystalicznego, która wynosi 26.6% dla technologii HJT („Heterojunction technology”) uzyskanej przez LONGI.
Rys. 1. Schematyczna ilustracja tandemowego ogniwa słonecznego (a) mechanicznie połączone dwa ogniwa (cztery elektrody - 4T), (b) monolityczne – scalone dwa ogniwa, połączone złączem tunelowym lub warstwą rekombinacyjną (dwie elektrody - 2T).
Pierwsza na świecie linia produkcyjna zlokalizowana w Brandenburgii w Niemczech w oparciu o technologię ogniw opracowaną przez Oxford PV rozpoczyna produkcję tandemów już w tym roku. Ale na tym nie koniec. Planowana jest druga fabryka tandemów w Niemczech. Firma Qcells z siedzibą w Korei Południowej i grupa badawcza kierowana przez HZB realizują projekt, w ramach którego uruchomiona będzie pilotażowa linia produkcyjna tandemowych ogniw krzemowo-perowskitowych w Thalheim w Niemczech. Projekt ma na celu przyspieszenie masowej produkcji i penetracji rynku przez tą technologię [5,6]. Do ogniw tandemowych będą wykorzystane komercyjne ogniwa krzemowe typu PERC. Planowane są również moduły dwustronne w celu zwiększenia ich mocy i zahermetyzowane szybami z obu stron w celu lepszej ochrony ogniw perowskitowych przed wilgocią. Przyszłość tego typu rozwiązań wydaje się być świetlana. Moduły hybrydowe perowskitowo-krzemowe o wysokiej mocy i stosunkowo niskiej cenie to kwestia niedalekiej już przyszłości.
Autor: Prof. Marek Lipiński
Literatura:
[1]https://pvinnowacje.pl/aktualnosci/41-aktualnosci/789-ogniwa-perowskitowe-na-bazie-organiczno-nieorganicznego-perowskitu-halogenkowego
[2]https://www.solliance.eu/2021/two-world-records-for-4t-perovskite-tandem/
[3]https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.pdf
[4] https://taiyangnews.info/technology/hzb-reports-32-5-efficiency-for-tandem-solar-cells/
[5]https://www.pv-magazine.com/2022/11/23/qcells-european-consortium-launch-production-line-for-tandem-perovskite-silicon-solar-cells/
[6] https://www.tno.nl/en/newsroom/2023/03/simplified-tandem-solar-modules/
