Ogniwa fotowoltaiczne mogą mieć znacząco większą sprawność

Jak wyglądają panele fotowoltaiczne, nie trzeba już nikomu tłumaczyć. Jeśli sami ich nie mamy, wystarczy się rozejrzeć – niemal na pewno ma je jeden z sąsiadów. A jeśli nie, to z dużym prawdopodobieństwem można założyć, że prędzej czy później będzie miał, bo instalacje fotowoltaiczne stają się coraz popularniejsze. I wszystko wskazuje na to, że będą jeszcze bardziej. Między innymi dzięki wynalazkowi opracowanemu przez naukowców z Politechniki Lubelskiej.

– Wydaje się, że nie ma odwrotu od zielonej energii. Nawet warunki techniczne przy budowie nowych domów wymuszają instalację źródeł energii odnawialnej. Dlatego tak ważne jest efektywne jej pozyskiwanie. Celem naszych badań było zwiększenie sprawności ogniw krzemowych, z których zbudowanych jest 80 proc. paneli fotowoltaicznych – tłumaczy mgr inż. Justyna Pastuszak.

Większa sprawność ogniw to więcej energii elektrycznej. Ale poprawa efektywności paneli nie jest prosta. Typowe ogniwo krzemowe składa się z dwóch warstw krzemu: typu p (z domieszką boru) i typu n (z domieszką fosforu). Dzięki domieszkom w pierwszej powstają dodatnie, a w drugiej ujemne ładunki. Prąd płynie od warstwy p do n, ale żeby mógł popłynąć, to najpierw elektrony muszą się wydostać z pasma walencyjnego półprzewodnika, w którym pozostają związane z atomem, i przeskoczyć do pasma przewodnictwa, gdzie staną się swobodnymi nośnikami. Aby się znaleźć w paśmie przewodnictwa, elektron musi pokonać przerwę energetyczną, zwaną też pasmem zabronionym. Do tego potrzebna jest energia z zewnątrz. – W panelach fotowoltaicznych dzieje się to tak: kiedy świeci słońce, foton pada na ogniwo i przekazuje swoją energię elektronowi – tłumaczy Pastuszak. – Jeśli jest jej wystarczająco dużo, wzbudzony elektron pokonuje przerwę energetyczną i przeskakuje do pasma przewodnictwa. I prąd zaczyna płynąć. Ale przy zachmurzonym niebie energia fotonu bywa często za mała, by elektron wyrwał się z pasma walencyjnego, i efektywność paneli spada o 60 proc., a czasem nawet o 80 proc.

To m.in. dlatego obecne rozwiązania pozwalają krzemowym ogniwom fotowoltaicznym na uzyskanie sprawności w granicach 25 proc. Tylko tyle energii słonecznej padającej na panele zostaje przetworzone na energię elektryczną. Nic dziwnego, że starania o każdy dodatkowy procent trwają.

Nad problemem pochylili się naukowcy z Politechniki Lubelskiej i znaleźli rozwiązanie. – Zespół pod przewodnictwem dr. hab. inż. Pawła Węgierka, którego jestem członkiem, wymyślił, jak ułatwić elektronom przeskakiwanie z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa – wyjaśnia Justyna Pastuszak. – Istotą pomysłu jest to, że warstwę krzemu typu n lub p, domieszkowaną borem, fosforem lub antymonem, zbombardowaliśmy jonami neonu o precyzyjnie określonej dawce i energii, stosując technologię implantacji jonowej, a potem poddaliśmy ją procesowi wygrzewania izochronicznego. Wprowadzenie tych procesów technologicznych do produkcji ogniw jest naszym nowatorskim rozwiązaniem. Pozwoliło to na wytworzenie dodatkowego poziomu energetycznego w paśmie zabronionym półprzewodnika. To taki dodatkowy „schodek”, który ułatwia przejście elektronów z pasma walencyjnego do pasma pośredniego, a następnie do pasma przewodnictwa, co bezpośrednio wpływa na zwiększenie efektywności fotokonwersji energii słonecznej.

Z badań wynika, że opracowana przez lubelskich naukowców metoda poprawia sprawność krzemowych ogniw fotowoltaicznych nawet o 10 proc. – Wdrożenie wynalazku przyczyni się do wzrostu opłacalności ich stosowania, a tym samym do wzrostu popularności fotowoltaiki jako alternatywnego źródła energii. Jesteśmy przekonani, że ogniwa wytworzone według naszego wynalazku pozwolą na zrewolucjonizowanie rynku fotowoltaiki – przekonuje Pastuszak.

Rozwiązania te już zostały docenione na arenie międzynarodowej. Ich twórcy zdobyli złoty medal na XVII Między narodowej Warszawskiej Wystawie Wynalazków IWIS 2023, a także złoty medal oraz nagrodę główną targów za najlepszy międzynarodowy wynalazek i innowację na 48. Międzynarodowej Wystawie Wynalazków Geneva Inventions Days 2023. ©Ⓟ