Innowacje w dziedzinie fotowoltaiki poprawiają sprawność zielonej energii
Technologia fotowoltaiczna pozwalająca na wytwarzanie energii elektrycznej przy niemal zerowej emisji ekwiwalentu CO2 stanowi atrakcyjne rozwiązanie w zakresie zielonej energii. Współcześnie sektor produkcji ogniw i modułów fotowoltaicznych w Europie jest bardzo niewielki, co powoduje konieczność ich importu. To z kolei przekłada się na wysokie emisje dwutlenku węgla i ryzyko związane z łańcuchami dostaw. „Coraz trudniej jest konkurować z państwami azjatyckimi, a przede wszystkim Chinami, w zakresie produkcji technologii fotowoltaicznych. Największą przeszkodą we wdrażaniu tego rodzaju rozwiązań nie jest jednak sama technologia, ale priorytety polityczne”, zauważa Uli Würfel, koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu DIAMOND(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Opracowane z myślą o druku moduły fotowoltaiczne DIAMOND, które można skalować z myślą o produkcji, stanowią przykład dojrzałych europejskich rozwiązań.
Perowskitowe innowacje projektowe i materiałowe
Większość paneli fotowoltaicznych jest produkowana z krzemu, czego powodem jest jego powszechność i niezawodność. Perowskity stanowią alternatywę, która jest prostsza w produkcji i może cechować się niższymi kosztami. Perowskity(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w fotowoltaice stanowią klasę syntetycznych materiałów krystalicznych wykonanych z różnych substancji, w tym ołowiu, cyny, bromu i chloru. Aby zwiększyć trwałość i poprawić sprawność perowskitowych ogniw słonecznych, zespół projektu DIAMOND wskazał najlepsze połączenie materiałów do produkcji kluczowych komponentów. Naukowcy opracowali perowskitowe moduły fotowoltaiczne z konwencjonalnymi metalizowanymi elektrodami oraz ich węglowymi odpowiednikami. Zespół przeanalizował także możliwość zastosowania pochłaniaczy na bazie ołowiu i cyny w celu zmniejszenia zawartości ołowiu. Następnie połączyli trzy kluczowe innowacje, aby zapewnić stabilność przewyższającą dotychczasowe rozwiązania fotowoltaiczne. W pierwszej kolejności badacze opracowali opartą na węglu elektrodę tylną - styki elektryczne zbierające i transportujące wytworzony ładunek do obwodów zewnętrznych. „Takie rozwiązanie zwiększa stabilność w dłuższym ujęciu czasowym w porównaniu z konwencjonalnymi elektrodami metalowymi”, dodaje Würfel, pracownik Stowarzyszenia im. Fraunhofera(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które było gospodarzem projektu. Aby ograniczyć stosowanie toksycznego ołowiu, badacze opracowali warstwy sekwestrujące wykorzystujące nowoczesne struktury metaloorganiczne, które unieruchamiają jony ołowiu dzięki grupom chelatującym. Ponadto zespół opracował innowacyjną konstrukcję uszczelniającą moduł fotowoltaiczny. Hermetyzacja jest trudnym zadaniem ze względu na fakt, że kleje zwykle stosowane do łączenia szklanych paneli słonecznych, które łączą materiały wrażliwe na temperaturę, zwiększają ryzyko zanieczyszczenia i uszkodzenia termicznego modułów. „Zastąpiliśmy klej drukowaną warstwą materiałów szklanych, które zostały stopione w celu zespolenia ich z płytami szklanymi. Takie rozwiązanie zapewnia ochronę przed warunkami zewnętrznymi przez ponad 25 lat”, wyjaśnia Würfel.
Zwiększona sprawność konwersji mocy
Testy mające na celu porównanie sprawności przetwarzania energii - ilości światła słonecznego przekształcanego w energię elektryczną - rozwiązania DIAMOND z klasycznymi modułami krzemowymi przyniosły obiecujące rezultaty. Perowskitowe ogniwo słoneczne z mieszanym absorberem ołowiowo-cynowym osiągnęło wskaźnik sprawności na poziomie 25,86 %, z kolei perowskitowe ogniwo słoneczne z tylną elektrodą węglową osiągnęło sprawność na poziomie 21,5 %. Po zakończeniu prac udało się zwiększyć sprawność do 22,9 %. W przypadku niewielkich modułów badaczom udało się osiągnąć sprawność na poziomie 23,28 % na powierzchni 29 cm2. Jednocześnie większy moduł o powierzchni ponad 100 cm2 z tylną elektrodą węglową obrabianą w powietrzu, która nie wymaga drogiej obróbki w atmosferze obojętnej, na przykład azotowej, osiągnął sprawność na poziomie ponad 18 %. „Ku naszej radości okazało się także, że udało nam się osiągnąć sprawność ogniw słonecznych na poziomie nieco powyżej 27 %, dzięki czemu pobiliśmy światowy rekord sprawności krystalicznych krzemowych ogniw słonecznych aktualny w momencie składania wniosku”, zauważa Würfel.
Bezpieczne i ekologiczne rozwiązanie
Zespół dążył do opracowania projektów urządzeń, komponentów i procesów o najniższym śladzie węglowym i najwyższym potencjale recyklingu. W ramach produkcji modułów każda warstwa została przeanalizowana pod kątem potencjalnego wpływu na środowisko, a jako dowód koncepcji badacze opracowali moduł w pełni nadający się do recyklingu. „Rezultaty naszych prac rozwijają potencjał perowskitowej technologii fotowoltaicznej, która po uprzemysłowieniu stworzy nowe miejsca pracy i zmniejszy zależność od importu paneli słonecznych, a docelowo także samej energii”, podsumowuje Würfel. Aby to osiągnąć, zespół pracuje nad zwiększeniem rozmiaru swoich modułów fotowoltaicznych, jednocześnie dążąc do zwiększania sprawności i wydłużania okresu eksploatacji.