Informacje na temat kolejnych rekordów sprawności konwersji energii słonecznej na energię elektryczną ogniw i modułów pojawiały się już kilkukrotnie na naszym portalu. Wynika to za faktu, iż tego typu osiągnięcia najlepiej pokazują, jak rozwija się rynek fotowoltaiczny. W przypadku modułów PV duże znaczenie ma ich rodzaj, konstrukcja i parametry eksploatacyjne. Natomiast w przypadku ogniw szczególnie ważna jest technologia w jakiej zostały wykonane. Ponadto kolejne rekordy sprawności modułów PV są ściśle związane z rosnącą sprawnością najnowszych ogniw fotowoltaicznych.

O tym jak producenci podnoszą sprawność modułów pisaliśmy w artykule: Jak producenci podnoszą sprawność modułów PV Część 1 oraz Część 2 . Pokazano w nim jak wiele czynników ma na to wpływ, przy czym najważniejsza jest jakość ogniw, z których zbudowany jest moduł. Dzieje się tak dlatego, że większość materiałów i rozwiązań stosowanych w modułach jest tak wysokiej jakości i  tak bardzo dopracowana, że pozostaje niewielki margines na dalsze podnoszenie sprawności modułu w tym obszarze. Natomiast, zastosowanie nowocześniejszych ogniw o większej mocy daje wyraźne rezultaty. 

Jak już pisaliśmy, najsprawniejsze moduły zbudowane są w oparciu o ogniw wykonane w technologii BC (Back Contact).  Niewiele „słabsze” ogniwa oferuje technologia HJT, a podium zamykają ogniw typu TOPCon. Rekord sprawności jednozłączowego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (HJT) należy do firmy LONGi i wynosi 26,8%. Natomiast moduł o rekordowej sprawności (zbudowany na bazie ogniwa w technologii BC) ma w swej ofercie firma AIKO
i wynosi on 24%. 

Obie technologie (BC i HJT) będą udoskonalane w najbliższych latach, dzięki czemu możemy oczekiwać kolejnych rekordów sprawności zarówno ogniw, jak
i zbudowanych z nich modułów PV. Jednak prawdziwym przełomem w tym wyścigu może być zastosowanie ogniw tandemowych. 

Firma LONGi 3 listopada 2023 roku oficjalnie ogłosiła, że ustanowiła  nowy rekord świata sprawności konwersji tandemowego ogniwa PV na poziomie 33,9%. 

Rys. 1. Prezentacja rekordu sprawności ogniwa tandemowego (krzem-perowskit) LONGi – źródło LONGI 2023 [1]

Osiągniętą wartość potwierdziło amerykańskie laboratorium NREL (National Renewable Energy Laboratory (NREL) [1]. Jak podkreślono w komunikacie, krystaliczne krzemowo-perowskitowe ogniwa tandemowe zostało opracowane i wykonane samodzielnie przez firmę LONGI. To drugi najważniejszy światowy rekord sprawności, który jest udziałem tego chińskiego giganta rynku fotowoltaicznego. Warto przypomnieć, że poprzedni rekord należał do naukowców i technologów pracujących na Uniwersytecie Naukowo-Technologicznego Króla Abdullaha (KAUST). Uzyskany wynik potwierdziło europejskie certyfikowane laboratorium pomiarowe ESTI (The European Solar Test Installation). Rekordowe ogniwo miało powierzchnię 1 cm2 oraz napięcie obwodu otwartego Voc=1,974 V, gęstość prądu zwarciowego Jsc= 20,99 mA/cm2 a  współczynnik wypełnienia charakterystyki prądowo napięciowej FF= 81,3%.

Parametry elektryczne tego typu ogniw są imponujące. Należy jednak pamiętać, że z jednej strony wprowadzenie do produkcji komercyjnych modułów PV na bazie ogniw tandemowych może być kosztowe i czasochłonne. Z drugiej strony, inny gigant rynku PV, firma JA Solar, już w pierwszej połowie 2022 roku przedstawiła analizę rozwoju sprawności komercyjnie dostępnych ogniw  PV na lata 2022 – 2025, w której umieściła ogniwa tandemowe (rys. 2.) [2].

Rys. 2. Prognoza zmian sprawności ogniw fotowoltaicznych wykonanych w różnych technologiach w latach 2022 do 2023. Źródło JA Solar 2022/ www.cleanenergyreviews.info [2].

Według JA Solar ogniwa tego typu mogły by być dostępne na rynku w 2023 roku i osiągałyby sprawność 27%. Opisywane rekordy osiągnięte przez KAUST i LONGi pokazują, że w niedalekiej przyszłości tak właśnie może wyglądać rynek wysokosprawnych ogniw PV. 

Wydajność konwersji ogniwa opracowanego i wytworzonego przez LONGi ma też pewien wymiar symboliczny, gdyż przewyższa ona teoretyczny limit sprawności dla półprzewodnikowego ogniwa jednozłączowego tj. 33,7%. Warto przypomnieć, że chodzi o limit termodynamiczny obliczony przez Shocleya i Queisera w oparciu o metodę tzw. „detailed balance principle” [3].  Podstawowymi założeniami są: (I) traktowanie ogniwa jako ciała doskonale czarnego oraz, (II) że prędkości absorbcji nabs,i emisji  światła nemit określone są przez uogólnione równanie Plancka [4], a (III) cała rekombinacja nośników jest rekombinacją promienistą, której prędkość równa jest prędkości emisji promieniowania przez ogniwo. Model opisuje także limit dla ogniw wielozłączowych, gdzie w przypadku teoretycznego układu
o nieskończonej liczbie złącz sprawność może wynieść 68,7%. 

W odniesieniu do zaprezentowanego rekordu sprawności ognia tandemowego Zhenguo Li, założyciel i prezes LONGi, powiedział, że wydajność ogniw słonecznych jest kluczowym wskaźnikiem i punktem odniesienia dla oceny potencjału technologii fotowoltaicznych. Przypomniał także, że teoretyczna wydajność jednozłaczowego ogniwa krzemowego to 29,4%. Jest to wartość nico niższa niż ta, którą osiągnęło rzeczywiste ogniwo tandemowe. Jeśli ogniwa tandemowe z etapu prototypów wykonywanych w laboratoriach przejdą do masowej produkcji, która pozwoli na wytwarzanie ogniw pełnowymiarowych o wysokiej trwałości, to staną się realną alternatywa dla jednozłączowych ogniw krzemowych. 

W artykule wykorzystano ogólnodostępne materiały oraz:

1. LONGi, “LONGi sets a new world record of 33.9% for the efficiency of crystalline silicon-perovskite tandem solar cells”,  https://www.longi.com/en/, 3 listopada 2023 
2. JA Solar, “Technology Roadmap Solar Cells Efficiency”,  www.cleanenergyreviews.info
3. SHOCKLEY W., QUEISSER H.J.J., Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells, Journal of Applied Physics, 1961, 32, 510-519.
4. WURFEL P., The chemical potential of radiation, J. Phys. C Solid State Phys. ,1982, 15 3967–3985.