Kako stara poslovica kaže, bolje su dve glave od jedne. Isto važi i za solarne ćelije koje rade u tandemu. Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji za obnovljivu energiju američkog Ministarstva energetike (NREL) pripremili su mapu puta kako da tandem solarne ćelije – posebno one koje spajaju različite fotonaponske tehnologije – pomerite bliže komercijalizaciji.
Kao što su istraživači istakli u članku u časopisu Joule, globalno se mora dodati znatno više solarne energije iznad trenutno instaliranog kapaciteta od 1 teravata. Zbog rastuće populacije i povećane elektrifikacije svih energetskih sektora, stručnjaci predviđaju da će svetu biti potrebno 75 teravata fotonaponske energije (PV) do 2050. godine.
Ogromna većina solarnih modula koji se danas koriste oslanjaju se na jednu spojnicu, koja je u stanju da apsorbuje samo delić solarnog spektra i stoga je ograničena na to koliko efikasni mogu biti. Tandem solarne ćelije, koje se sastoje od dva ili više spojeva, imaju potencijal da postignu mnogo veću efikasnost. Pošto su tandemi naslagani jedan na drugi, ukupna površina koju modul zahteva se smanjuje — zauzvrat, povećava efikasnost i potencijalno smanjuje ukupne troškove sistema.
Kirstin Alberi, vodeći autor članka u časopisu, pod naslovom „Mapa puta za tandem fotovoltaike“, rekla je da su visokoefikasne višespojne solarne ćelije III-V bile dostupne decenijama, ali u malim razmerama i prvenstveno za svemirske aplikacije kao što je napajanje satelita.
Alberi, direktor Centra za nauku o materijalima u NREL-u, rekao je da su novi tipovi hibridnih tandem modula koji koriste skalabilnije fotonaponske tehnologije sada u razvoju i od strane velikih proizvođača i startap kompanija, „ali nismo svesni da se nijedan masovno proizvodi i prodaje komercijalno“.
Alberi i njenih 17 koautora pokušavaju da podstaknu istraživače i proizvođače da sarađuju sa ciljem brzog napretka ka masovnoj proizvodnji tandema.
Oni su naveli napredak koji se mora učiniti:
Mapa puta se fokusira na hibridne tandeme, gde su dve ili više različitih fotonaponskih tehnologija kombinovane da bi se obezbedila maksimalna efikasnost. Uz mnoštvo materijala dizajniranih da apsorbuju sunčevu svetlost, broj kombinacija za stvaranje tandema je obilan. Ovi materijali su podeljeni u dve grupe: oni najbolji kao gornje ćelije i oni najbolji kao donje ćelije.
Pravilno podudaranje između dva spoja povećava količinu sunčeve svetlosti koja se apsorbuje i pretvara u električnu energiju. Vrhunska solarna ćelija napravljena od metal-halogenih perovskita, na primer, mogla bi da poboljša performanse silikonske solarne ćelije sa jednim spojem.
„Metal halogenidni perovskiti se posmatraju kao početni pokretač hibridnih tandema iz perspektive troškova i efikasnosti“, rekao je Alberi. „One pružaju dovoljno visoku efikasnost kao vrhunska ćelija i takođe su dovoljno isplative da uključe da bi tandem imao mnogo veću efikasnost od ćelija sa jednim spojem bilo koje tehnologije.“
Termin perovskit se odnosi na kristalnu strukturu, a ne na specifičan element kao što je silicijum. Istraživanja se nastavljaju na dugoročnu stabilnost perovskitnih solarnih ćelija, za koje se pokazalo da su izuzetno efikasne. Perovskiti su takođe lakši i jeftiniji za proizvodnju od mnogih drugih solarnih tehnologija.
Tandem mapa puta zagovara razmatranje potencijala drugih materijala kao vrhunske ćelije. Galijum arsenid (GaAs) i galijum indijum fosfid (GaInP) su oba kandidata jer imaju najveću efikasnost uređaja sa jednim spojem. Međutim, glavni nedostatak njihove upotrebe je trošak. Istraživači u NREL-u su tražili jeftinije metode proizvodnje.
Očigledni materijal za donju ćeliju, rekli su istraživači, je silicijum, koji dominira solarnom industrijom. Tandem napravljen od gornje metal-halogene perovskitne ćelije i donje silikonske ćelije trenutno drži rekord efikasnosti.
Tandem dolazi sa dodatnim izazovima, rekla je Emili Voren, naučnik u grupi visokoefikasnih kristalnih fotonapona u NREL-u i koautor dokumenta o mapi puta.
„Za fotonaponske materijale sa jednim spojem, moduli se prave međusobnom povezivanjem pojedinačnih ćelija bočno u seriju“, rekla je ona. „Za tandeme, postoji više opcija za međusobno povezivanje ćelija, što pruža još jedan sloj složenosti dizajnu tandemskih modula.
Samo tri fotonaponske tehnologije sa jednim spojem su uspešno skalirane na najmanje gigavat proizvodnje. Pored silicijuma, prodor su napravile i solarne ćelije napravljene od bakar indijum galijum diselenida (CIGS) i od kadmijum telurida (CdTe). CIGS je pogodan za donju ćeliju i CdTe kao gornju.
Istraživači su rekli da kontrast u putanjama komercijalizacije između silicijuma i tankoslojnih ćelija napravljenih od CIGS-a i CdTe-a nudi uvid u izazove koji se moraju prevazići da bi se uspostavila tandemska tehnologija gigavata. Silicijum PV je imao koristi od velikih ulaganja zajednice poluprovodnika, što je rezultiralo zajedničkim znanjem i standardizovanim procesima.
Kompanije specijalizovane za CIGS i CdTe, međutim, pažljivo su čuvale svoje procese i tehnike taloženja dok pokušavaju da napreduju u odnosu na silicijumske PV.
Mapa puta predlaže zajednički napor, kao što je konzorcijum sličan onima koji su stvoreni da podstaknu proizvodnju perovskita i CdTe solarnih panela. Ovo bi okupilo industriju i istraživače zajedno „da bi razgovarali o zajedničkim pitanjima i podelili naučene lekcije“, navodi se u dokumentu o putu. Neki konzorcijumi već rade na tandemima na bazi perovskita.
„Postojeći konzorcijumi su se pokazali od velike pomoći u razvoju i komercijalizaciji fotonaponskih tehnologija sa jednim spojem jer mogu pomoći u razmjeni informacija, zalaganju za međusektorska istraživanja koja će pomoći ovoj oblasti u cjelini i fokusiranju većih grupa zainteresovanih strana na radite zajedno na rešavanju problema koji utiču na celo polje“, rekao je Alberi.
„Mislimo da bi konzorcijumi mogli da imaju sličnu ulogu u razvoju hibridnih tandema, posebno zato što smo još uvek u ranoj fazi komercijalizacije ove tehnologije.
