Wydajność ogniw fotowoltaicznych – to słowo klucz do efektywności i opłacalności rozwoju fotowoltaiki. Naukowcy i inżynierowie na całym świecie głowią się nad zwiększeniem wolumenu wyprodukowanej energii z pojedynczego ogniwa. Jednym z pionierów w pracach jest uznany niemiecki Instytut Fraunhofera ISE.
- Sprawność ogniwa oblicza się na podstawie tzw. współczynnika wypełnienia (ang. Fill Factor)
- Średnia sprawność obecnych ogniw PV sięga poziomu 20 proc. lub więcej.
- Niemiecki Instytut Fraunhofera opracował ogniwo PV o sprawności 47,6 proc.
Ogniwo fotowoltaiczne to element zbudowany w półprzewodnika, w którym zachodzi konwersja energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Do przemiany dochodzi w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Jak wskazują eksperci, ogniwo fotowoltaiczne samo w sobie jest elementem delikatnym i kruchym. Ogniwa tworzą moduł fotowoltaiczne, natomiast moduły – panele fotowoltaiczne. Skąd wiemy, ile energii wyprodukuje dana instalacja słoneczna? Kluczowy jest wskaźnik sprawności modułu fotowoltaicznego. Jest to stosunek mocy elektrycznej modułu do natężenia promieniowania słonecznego padającego na moduł w określonym momencie, który jest najczęściej wyrażany w procentach. W ostatnich latach na skutek rozwoju technologii średnia wydajność konwersji modułów wzrosła z 15 do poziomu 20 proc. Ten duży skok wydajności spowodował, że moc znamionowa modułu PV o standardowym rozmiarze wzrosła z 250 W do 370 W.
Kluczem jest też sprawność ogniw fotowoltaicznych. Wskaźnik zależy od struktury ogniwa i rodzaju zastosowanego podłoża, którym jest zazwyczaj krzem typu P lub typu N. Sprawność ogniwa oblicza się na podstawie tzw. współczynnika wypełnienia (ang. Fill Factor). Wskaźnik pokazuje w jakim stopniu charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa słonecznej jest zbliżona do idealnej.
Przełomowe osiągnięcie naukowców
Inżynierowie Fraunhofer ISE poinformowali w maju 2022 roku, że udało im się zwiększyć wydajność najlepszego dotychczas ogniwa fotowoltaicznego z 46,1 do 47,6 proc. przy 665-krotnym stężeniu promieniowania słonecznego za pomocą nowej powłoki antyrefleksyjnej. Jak zauważają, jest to kamień milowy, ponieważ obecnie nie ma na świecie bardziej wydajnego ogniwa słonecznego.
Naukowcy z niemieckiego instytutu już od dwóch lat pracują nad ambitnym projektem "50 procent". Badania sią finansowane przez niemieckie Ministerstwo Gospodarki i Ochrony Klimatu (BMWK). Aby to osiągnąć, każda pojedyncza warstwa złożonych, wielozłączowych ogniw słonecznych , jest dalej optymalizowana, wprowadzane są ulepszenia technologiczne oraz ulepszone warstwy antyrefleksyjne – czytamy na stronie instytutu.
Struktura warstwowa nowego ogniwa słonecznego została opracowana jeszcze w 2016 roku wspólnie z francuską firmą Soitec AG, projektantem i producentem materiałów półprzewodnikowych. Instytut informuje, że górne tandemowe ogniwo słoneczne z fosforku galu i indu (GaInP) i arsenku galu (AlGaAs), zostało połączone przez z dolnym tandemowym ogniwem słonecznym z fosforku galu, indu i arsenku (GaInAsP) i arsenku indowo-galowego (GaInAs).
Warstwy ogniwa zostały wyposażone w ulepszone warstwy kontaktowe i 4-poziomową warstwę antyrefleksyjną. Zmniejsza to straty oporowe, jak również odbicia w przedniej części komórki, która jest czuła spektralnie w zakresie 300-1780 nanometrów. Konwencjonalne ogniwa fotowoltaiczne z krzemu absorbują światło słoneczne tylko do długości fali 1200 nanometrów i dlatego nie wymagają tak szerokopasmowej powłoki antyrefleksyjnej.
Wielozłączowe ogniwa słoneczne z półprzewodników z grupy III-V zawsze należały do najbardziej wydajnych ogniw słonecznych na świecie. Rozwijają one swój największy potencjał, gdy światło słoneczne jest dodatkowo wiązane przez soczewki na elementy o wielkości zaledwie kilku milimetrów kwadratowych.
Źródło: Instytut Fraunhofera
