Тандемните слънчеви клетки се превърнаха в едно от най-вълнуващите нововъведения във възобновяемата енергия. Те обещават по-висока ефективност, нови комбинации от материали и потенциал да изтласкат слънчевата енергия далеч отвъд границите на днешните масови силициеви панели.
Технологията все още се развива, но нейният потенциал е безспорен. До неотдавна големият технологичен „двубой“ в света на фотоволтаиката беше между поликристалните и монокристалните силициеви панели (сини или черни). Днес обаче изглежда, че и двата типа скоро ще бъдат изместени от тандемните модули.
Какво е тандемна слънчева клетка?
Тандемната слънчева клетка е фотоволтаично устройство, което подрежда два или повече полупроводникови слоя, като всеки е „специализиран“ в улавяне на различна честота на светлината. Тази структура позволява на клетката да абсорбира по-широк диапазон от слънчевия спектър, отколкото традиционната клетка с един слой.
Иначе казано, в многослойната клетка горният пласт улавя високоенергийни фотони (напр. синя светлина), а фотоните с по-ниска енергия преминават към долното ниво, което ги абсорбира по-ефективно.
Този „слоест“ подход намалява загубите на енергия, подобрява усвояването на слънчевата светлина и превръщането й в ток.
Защо слънчевата индустрия разработва тандемни слънчеви клетки?
Бумът на тандемната технология, който се задава, се обуславя от няколко фактора:
- Граници на ефективността: силициевите слънчеви клетки се приближават до теоретичния си максимален КПД. Тандемните технологии предлагат път за преодоляване на тези граници.
- Нарастващо търсене на енергия: с нарастването на глобалните нужди от електроенергия, модулите с по-висока ефективност намаляват използването на земя и разходите за монтаж на ват.
- Иновации в материалите: нови типове материали като перовскити се съчетават добре със силиция, което позволява направата на високопроизводителни тандемни архитектури.
Видове тандемни слънчеви клетки
Няколко тандемни конфигурации са в процес на разработка.
Перовскит-силиций – това е най-често изпробваният и разработван в лабораториите тандем. Перовскитите предлагат регулиране на честотните интервали и ниска цена на обработка, докато силицият осигурява стабилност и производствена зрялост.
Изцяло перовскитните тандеми са друга популярна комбинация. Те имат два перовскитни слоя, но за различни честотни ленти. Обещанието тук е за евтини, леки и гъвкави модули.
III–V-силициевите тандеми са високопроизводителни, но скъпи. III–V полупроводниците се използват в космически приложения и концентрирани фотоволтаици.
III–V-перовскитни тандеми – това е авангардно направление на новите изследвания, съчетаващо най-доброто от двата свята – ултрависока ефективност с потенциално по-ниска цена.
Хетерослойни тандеми силиций-силиций – в този случай два силициеви слоя с различни честотни ленти уласят по-голяма част от спектъра. Този тип конструкция е по-рядко срещана поради ограничената спектрална допълняемост.
Ефективност
Тандемните слънчеви клетки постигат ефективност доста над границите на еднослойния силиций. Перовскитно-силициевите тандеми са демонстрирали рекордна ефективност, надвишаваща 30% в лабораторни условия. Теоретичната ефективност за многослойните тандеми може да надхвърли 40%.
Очаква се комерсиалните панели да достигнат 28–30% през следващите години. Тези числа представляват подобрение спрямо днешните търговски силициеви модули, които обикновено работят с ефективност от 20–23%.
Техническа осъществимост
Тандемните слънчеви клетки са технически възможни и няколко производители вече са ги интегрирали в своите технологични пътни карти. Масовото внедряване обаче ще зависи от преодоляване на предизвикателствата, свързани с дългосрочната стабилност на клетките, управлението на производствените разходи, достъпността и наличността на материалите.
Голямо предизвикателство за тандемните клетки е въпросът за стабилността и деградацията. Перовскитите са чувствителни към влага, топлина и UV лъчение. Осигуряването на 25-годишна издръжливост засега е в сферата на надеждите и остава основен фокус на изследванията.
Трудност за изследователите е и проектирането на интерфейсите. Ефективният пренос на заряда между слоевете изисква прецизен контрол на интерфейсите и пасивация на дефектите.
Сложността на производството поставя въпроса за цената на крайния продукт. Наслагването на множество слоеве звучи лесно, но увеличава производствените стъпки и изисква ново оборудване и методи за контрол на качеството.
Не на последно място все пак стои и въпросът за съвместимостта на материалите. Топлинното разширение, несъответствието на решетките и химичните взаимодействия могат да намалят производителността или да причинят разслояване.
Перспектива
И все пак изглежда, че връщане назад няма. Тандемните слънчеви клетки се считат за „трансформативна“ стъпка за фотоволтаичния сектор. Въпреки че техническите и икономическите предизвикателства остават, темпът на иновациите – особено в перовскитно-силициевите тандеми – предполага, че тандемните слънчеви клетки ще играят важна роля в бъдещето на възобновяемата енергия.
