Tradycyjna fotowoltaika oparta na ogniwach krzemowych od lat zbliża się do teoretycznych barier efektywności. Obecne moduły komercyjne osiągają około 23–27 % sprawności, podczas gdy fizyczny limit dla pojedynczego złącza krzemowego wynosi ok. 29–30 % ze względu na fundamentalne straty energetyczne przy absorpcji światła.
Tymczasem zespół naukowców z University of New South Wales (UNSW) w Sydney opracował innowacyjny sposób na zwiększenie wydajności ogniw poprzez zastosowanie tzw. rozszczepienia singletowego – procesu, w którym jeden foton światła może wygenerować dwa nosiciele ładunku zamiast jednego.
Jak działa rozszczepienie singletowe i co to oznacza dla PV
W tradycyjnych ogniwach słonecznych wysokoenergetyczne fotony (np. niebieskie światło) tracą znaczną część energii jako ciepło, ponieważ przekraczają efektywny próg absorpcji półprzewodnika.
Rozszczepienie singletowe to zjawisko molekularne, w którym pojedynczy foton pobudza dwa niepowiązane pakiety energii (tzw. triplet excitons), które mogą zostać przekazane do ogniwa i wykorzystane do generowania prądu. Ten mechanizm pozwala na pozyskanie więcej energii z tej samej ilości światła, co w praktyce oznacza więcej elektronów generowanych w ogniwie przy tym samym nasłonecznieniu.
W niedawnej realizacji naukowcy z UNSW zastosowali fotostabilny materiał organiczny dipyrrolonaphthyridinedione (DPND) na powierzchni ogniwa krzemowego, co pozwoliło efektywnie przenosić ładunki produkowane przez moduł rozszczepiający światło. Wcześniej badania tego typu opierały się na materiałach, takich jak tetracen, które jednak ulegały degradacji w rzeczywistych warunkach.
Potencjalny wpływ na rynek i wydajność paneli
Według badań dodanie warstwy singlet fission może umożliwić ogniwom krzemowym przekroczenie granicy 30 % sprawności, bez konieczności budowy skomplikowanych konstrukcji wielozłączowych (tandem).
Modele teoretyczne wskazują, że przy idealnej integracji tego mechanizmu możliwe jest osiągnięcie nawet około 42–45 % wydajności, co stanowi ogromny skok w porównaniu z obecnymi standardami.
Takie zwiększenie wydajności miałoby daleko idące konsekwencje dla rynku fotowoltaicznego: mniej paneli potrzebnych do uzyskania tej samej mocy, niższe koszty całego systemu oraz mniejsze straty energii w formie ciepła.
Materiał DPND i praktyczne wdrożenie
Głównym osiągnięciem australijskich naukowców jest wykorzystanie stabilnej, fotostabilnej cząsteczki DPND, która nie ulega szybkiemu rozkładowi pod wpływem tlenu czy wilgoci – co było problemem wcześniejszych materiałów singletowej fuzji.
Proces integracji nowej warstwy z klasycznym ogniwem krzemowym jest stosunkowo prosty – polega na nałożeniu ultracienkiej warstwy organicznej na panel, co teoretycznie nie wymaga całkowitej przebudowy istniejących linii produkcyjnych.
Takie podejście może uczynić technologię szybciej adaptowalną, jeśli badania i pilotażowe testy potwierdzą jej skuteczność w warunkach rzeczywistych.
Przemysł śledzi postępy – od laboratoriów ku przemysłowi
Według informacji prasowych, projekt projektu UNSW w ramach programu Ultra Low Cost Solar, finansowanego przez Australian Renewable Energy Agency (ARENA), objął obserwację i współpracę ze siedmioma dużymi przedsiębiorstwami sektorowymi zainteresowanymi testowaniem tej technologii.
To oznacza, że potencjalne partnerstwa przemysłowe już powstają, choć na tym etapie chodzi głównie o pilotażowe próby w laboratoriach i adaptację materiałów, a nie gotowe produkty rynkowe. Rozwój prac oraz testy mogą zająć kilka lat, a pełne wdrożenie komercyjne przewidywane jest w perspektywie około pięciu lat – o ile nie pojawią się przyspieszone przełomy.
Co to oznacza dla przyszłości energii słonecznej
Ten nowatorski kierunek badań, jeśli zostanie udoskonalony i sprawdzony w praktyce, ma potencjał znacząco zmienić ogólne spożytkowanie światła słonecznego w ogniwach krzemowych – dominującym typie paneli PV na świecie. Obecne limity wynikające z klasycznych granic fizycznych (takich jak granica Shockleya–Queissera dla pojedynczych ogniw) mogą zostać przesunięte dzięki mechanizmowi, który efektywniej wykorzystuje energię fotonów o wysokiej energii.
Ostatecznie oznacza to nie tylko wyższe uzyski energii, ale także większą konkurencyjność PV w porównaniu z innymi źródłami energii odnawialnej, a także potencjalne obniżenie kosztów energii elektrycznej z systemów solarnych. Realizacja tego typu rozwiązań może mieć istotne znaczenie dla globalnej transformacji energetycznej oraz przyspieszenia odchodzenia od paliw kopalnych.
Podsumowanie
Badania nad singlet fission prowadzone przez naukowców z UNSW w Sydney mogą stanowić przełom w fotowoltaice – mechanizm umożliwia efektywne wykorzystanie energii, która dotąd była tracona jako ciepło, i może znacząco podnieść wydajność ogniw słonecznych. Obserwacja projektu przez największe firmy branży PV świadczy o rosnącym zainteresowaniu tym podejściem. Choć komercyjne wdrożenia wymagają kolejnych lat pracy i testów, sama koncepcja daje wgląd w możliwy kierunek rozwoju technologii słonecznych, który może w przyszłości zmienić rynek energii odnawialnej.
Komentarze (0)