Revolúcia z laboratórií: Tandemové solárne články
Výskumníci z Čínskej akadémie vied (CAS) nedávno predstavili úplne nový typ tandemového solárneho článku, ktorý dosahuje mimoriadne vysokú účinnosť premeny slnečnej energie [1]. Tento inovatívny solárny článok dosiahol v testoch celkovú účinnosť až 29,71 % [2]. Pre bežného spotrebiteľa to znamená zásadný posun – v budúcnosti by domácnosti dokázali vyrobiť podstatne viac elektriny aj z oveľa menšej plochy strechy, čo by uľahčilo prístup k energii aj majiteľom menších nehnuteľností.
Nový článok maximalizuje využitie slnečného spektra tým, že kombinuje dve rôzne solárne technológie [1]. Vedecký tím ho vyskladal z vrchného perovskitového solárneho článku a zo spodného zariadenia na báze medi, india, gália a selénu, ktoré sa zvykne označovať skratkou CIGS [3].
Prečo je účinnosť taká dôležitá pre návratnosť?
Tajomstvo tejto extrémne vysokej účinnosti spočíva v prepracovanom rozdelení úloh medzi jednotlivé vrstvy panelu. Spodný CIGS článok je špeciálne optimalizovaný na získavanie svetla s dlhšou vlnovou dĺžkou [3]. Sám o sebe dosiahol tento spodný článok pri plnom osvetlení veľmi slušnú účinnosť na úrovni 19,65 % [3].
Nad ním sa však nachádza polopriehľadná vrstva perovskitu. Samotný vrchný perovskitový článok dosiahol účinnosť 22,21 % [1]. Keď vedci tieto dve technológie spojili do jedného zariadenia a umiestnili CIGS článok pod perovskitový, množstvo dopadajúceho svetla na spodnú vrstvu sa pochopiteľne znížilo, keďže vrchná časť absorbovala časť spektra [1]. V dôsledku tohto spektrálneho filtrovania následne klesla účinnosť spodného subčlánku na 7,5 % [3].
Aj napriek tomuto čiastkovému poklesu je spoločná synergia nepopierateľná. Pri zapojení do takzvanej štvorterminálovej (4T) tandemovej konfigurácie dosiahlo integrované zariadenie mimoriadnu celkovú účinnosť spomínaných 29,71 % [2]. Podľa vyjadrení samotných vedcov ide o jednu z absolútne najvyšších hlásených účinností pre perovskitové a CIGS štvorterminálové tandemové solárne články doteraz [3].
Achillova päta perovskitov a ako ju vedci prekonali
Na Slovensku dokážu extrémne letné horúčavy potrápiť všetky exteriérové technológie. Hoci vysoká účinnosť znie pre majiteľov domov lákavo, rovnako kľúčová je pre nich stabilita. A presne tu narážala technológia širokopásmových perovskitov dlhé roky na zásadný problém. Jednou z najväčších výziev týchto materiálov bolo, že mali tendenciu časom strácať svoju stabilitu [1].
Počas samotného výrobného procesu totiž môžu vo vnútri materiálu vznikať drobné defekty, ktoré následne umožňujú nežiaduci pohyb nabitých častíc [1]. Tento proces postupne znižuje výkon solárnych článkov, a to najmä vtedy, keď sú dlhodobo vystavené priamemu slnečnému žiareniu a vysokej teplote [1].
Odborníci však našli veľmi elegantné riešenie. Na zlepšenie stability materiálu využili organickú zlúčeninu obsahujúcu síru, ktorá nesie názov bis(2-pyridylmetyl) sulfid, označovanú ako 2PyS [3]. Namiesto toho, aby sa vedci snažili opravovať defekty až po tom, ako je článok vyrobený, táto zlúčenina pomáha kontrolovať formovanie kryštálov perovskitu už od úplného začiatku [1]. Vďaka tomuto postupu sa efektívne obmedzuje tvorba defektov a potláča sa migrácia halogenidových iónov, ktoré patria medzi hlavné príčiny fázovej segregácie vyvolanej svetlom [2].
Zlúčenina 2PyS sa podstatne silnejšie viaže na jodid olovnatý (PbI₂) v porovnaní s bežne používanými rozpúšťadlami, akými sú dimetylformamid (DMF) alebo dimetylsulfoxid (DMSO) [3]. Vďaka tejto silnejšej interakcii dokáže 2PyS oveľa efektívnejšie regulovať koordinačné prostredie iónov olova už počas tvorby perovskitu, čím pozitívne ovplyvňuje celý proces kryštalizácie [3].
Zložitá architektúra v službách výkonu
Pre nadšencov, ktorí plánujú výber komponentov s ohľadom na najjemnejšie technické detaily, je štruktúra tohto článku fascinujúca. Vrchný perovskitový článok disponuje špičkovou prednou elektródou z oxidu india a cínu (ITO), vrstvou z oxidu niklu (NiOx) na transport dier a špeciálnou vrstvou modifikujúcou rozhranie (SAM) [3]. Svetlo absorbujúca perovskitová vrstva je ďalej doplnená fullerénovou (C60) vrstvou slúžiacou na transport elektrónov, tlmiacou vrstvou z oxidu cíničitého (SnO₂) a robustným strieborným (Ag) kovovým kontaktom [3].
Spodný CIGS subčlánok využíva na zber náboja zadnú elektródu z molybdénu (Mo) a vrstvu sulfidu kademnatého (CdS), ktorá slúži ako dôležitá tlmiaca vrstva pre pasiváciu rozhrania [3]. Na transport elektrónov a vytvorenie transparentného predného kontaktu boli následne použité okenné vrstvy na báze oxidu zinočnatého, zahŕňajúce čistý oxid zinočnatý (i-ZnO) a oxid zinočnatý dopovaný hliníkom (Al:ZnO) [3].
Dlhá životnosť: To, čo slovenského majiteľa zaujíma najviac
Vloženie zlúčeniny 2PyS do procesu nielenže potlačilo príliš rýchlu nukleáciu, ale aj priamo podporilo omnoho homogénnejší rast filmu [3]. Pre používateľov to znamená najmä excelentnú životnosť a minimálne straty kapacity.
Zariadenia počas náročného testovania dokázali udržať viac ako 91 % svojej počiatočnej účinnosti aj po 2000 hodinách nepretržitej prevádzky [3]. Pre rodinné domy predstavuje takáto odolnosť voči dlhodobej záťaži kľúčový argument na urýchlenie návratnosti vstupných nákladov. Tento obrovský vedecký pokrok by mohol onedlho pomôcť urobiť panely novej generácie ideálnymi a trvácnymi riešeniami pre širšie komerčné použitie [1].
Kým k nám tieto panely dorazia, odporúčame sledovať aktuálne dianie, napríklad aké trendy vo fotovoltike nás čakajú a prečo konať už dnes. Navyše, na európsky trh už dnes prichádzajú inovatívne alternatívy, ktoré sľubujú bezpečnejšie možnosti ukladania energie pre domácnosti.
Slovo na záver
Hoci na komerčný predaj týchto perovskitových panelov si ešte chvíľu počkáme, investícia do súčasných, vysoko preverených solárnych systémov je jedným z najrozumnejších krokov k ochrane rodinného rozpočtu pred neustále rastúcimi cenami energií. Ak ste sa rozhodli pre túto zelenú cestu, najdôležitejšie je nájsť skúseného partnera. Na portáli Spravmi.sk môžete jednoducho a rýchlo zverejniť svoj dopyt na inštaláciu fotovoltiky a vybrať si zo stoviek overených inštalatérov a firiem, ktorí sa postarajú o celý proces na kľúč s maximálnou profesionalitou.
