Nowy spadkobierca krzemu w produkcji ogniw słonecznych o dużej wydajności
Wielozłączowe ogniwa fotowoltaiczne – zwane również tandemowymi – to jeden z najczęściej badanych typów ogniw słonecznych mających zagwarantować wyższą wydajność użytkowania. Pierwotnie stworzone do zastosowań lotniczych i kosmonautycznych, wielozłączowe ogniwa III-V zbudowane są z trzech różnych materiałów, co umożliwia im pozyskiwanie znacznie większej ilości energii słonecznej. W rezultacie zdolne są do uzyskania bardzo wysokiej sprawności konwersji energii. Technologia odwróconych metamorficznych ogniw wielozłączowych jest przełomowa także pod względem osiągów oraz redukcji kosztów produkcyjnych. W ramach projektu SOLAR FUEL BY III-VS (Direct photoelectrochemical generation of solar fuels using dilute nitride III-V compound semiconductor heterostructures on silicon: Epitaxy, electrochemistry, and interface characterization) naukowcy przyjęli rewolucyjne podejście, które może doprowadzić do znacznej poprawy sprawności konwersji energii słonecznej w wodór. Chcąc zwiększyć wydajność rozszczepiania cząsteczek wody, zespół zajął się badaniem osadzania się nowej klasy stopów półprzewodnika – rozcieńczonego azotku III-V – na cząsteczkach krzemu. Następnie zespół dowiódł, że wykorzystanie jonów azotu i rozpylanie katalizatora metalowego (GaInP) może prowadzić do wydłużenia okresu użytkowania. Za sprawą szczegółowego modelowania odkryto rolę, jaką absorpcja pasożytnicza odgrywa w ograniczaniu sprawności konwersji ogniwa oraz w określaniu optymalnego pasma wzbronionego. Dodatkowo naukowcy odkryli związek między grubością warstwy elektrolitu a stratami napięcia ograniczającymi wydajność konwersji światła słonecznego w wodór. Analizy wykazały niedopasowania spektralne między typowymi laboratoryjnymi źródłami światła a promieniowaniem słonecznym, które prowadzą do niedokładnych szacunków sprawności konwersji. Po wykonaniu prac teoretycznych, badacze dowiedli, że konstrukcje tandemowych ogniw GaInP/GaAs pozwolą uzyskać sprawność konwersji na poziomie 10%, tj. zbliżonym do światowych wartości rekordowych. Odwrócona konstrukcja ze złotym reflektorem tylnym podnosi wydajność ogniwa dolnego o blisko 2%. Ścienienie ogniwa górnego dla uzyskania lepszego rozsyłu światła powinno doprowadzić do uzyskania skoku wydajności o kolejne 2%. Zespół jednak jest zdania, że nieznaczne zmniejszenie górnego absorbera i przerw energetycznych ogniwa dolnego doprowadzi do jeszcze większego wzrostu wydajności. Projekt SOLAR FUEL BY III-VS skupił się na najważniejszych kwestiach w dziedzinie wytwarzania energii słonecznej. Stworzył podstawy dla przyspieszenia rozwoju paliwa słonecznego, wkraczając na nieznane dotąd obszary w dążeniu do uzyskania zrównoważonej energii. Odkrycia projektu rozpowszechniono za pośrednictwem licznych publikacji.
Słowa kluczowe
Krzem, ogniwo słoneczne, fotowoltaika, półprzewodnik mieszany, ogniwa o wielu złączach, rozcieńczony azotek III-V
