Rezultati istraživanja koje je provela tvrtka First Solar European Technology Center, prije poznata kao Evolar, u suradnji s istraživačima solarnih ćelija na Sveučilištu u Uppsali, predstavljaju značajan napredak u tehnologiji solarnih ćelija. Marika Edoff, profesorica tehnologije solarnih ćelija na Sveučilištu u Uppsali i voditeljica studije, ističe da su mjerenja provedena na ovoj, kao i na drugim nedavno proizvedenim solarnim ćelijama, unutar granica pogreške neovisnih mjerenja. Ovi podaci koristit će se za internu kalibraciju vlastitih metoda mjerenja.

Najnoviji svjetski rekord iznosi 23,64 posto efikasnosti, čime je premašen prethodni rekord od 23,35 posto, koji je držala japanska tvrtka Solar Frontier, a prije toga rekord od 22,9 posto, u vlasništvu njemačkog ZSW-a. Sveučilište u Uppsali bilo je nositelj rekorda još od 1990-ih, kroz istraživačku suradnju Euro-CIS. Edoff napominje da su, iako već neko vrijeme nisu držali rekord za pojedinačnu ćeliju, često bili vrlo blizu najboljih rezultata, posebno u pogledu potencijala za skaliranje na procese velikih razmjera, gdje su uvijek bili u samom vrhu.

Solarna energija doživljava rapidan rast na globalnoj razini, s više od 6 posto globalne električne energije proizvedene iz solarnih izvora u 2022. godini, prema podacima Međunarodne energetske agencije (IEA). Najbolji solarni moduli od kristalnog silicija, koji je najšire korišteni materijal u solarnim ćelijama, trenutno pretvaraju više od 22 posto sunčeve svjetlosti u električnu energiju, a moderni solarni paneli su i niskotroškovni i dugoročno stabilni.

Jedan od ciljeva istraživanja solarnih ćelija je postići efikasnost veću od 30 posto s razumnim troškovima proizvodnje. Fokus je često na tandemskim solarnim ćelijama zbog njihove veće efikasnosti, iako su dosad bile previše skupe za masovnu upotrebu.

Neovisni institut Fraunhofer ISE u Njemačkoj izmjerio je svjetski rekord od 23,64 posto. Znanstveni rad nudi detaljnu materijalnu i električnu analizu solarnih ćelija te usporedbu s prethodnim rekordima za isti tip solarnih ćelija iz drugih istraživačkih institucija.

Najvažnija svojstva solarne ćelije su sposobnost apsorpcije svjetlosti i transporta energije do električnog opterećenja. Za uspjeh ovih procesa, materijal mora biti sposoban optimalno apsorbirati sunčevu svjetlost, izbjegavajući pritom gubitak energije pretvaranjem u toplinu unutar same solarne ćelije.

Solarni paneli CIGS sastoje se od staklene ploče običnog prozorskog stakla, premazane s nekoliko slojeva, od kojih svaki ima specifičnu zadaću. Materijal koji apsorbira sunčevu svjetlost sastoji se od bakra, indija, galija i selenida (odakle i akronim CIGS), s dodacima srebra i natrija. Ovaj

 sloj postavljen je u samoj solarnoj ćeliji, između stražnjeg kontakta od metalnog molibdena i prozirnog prednjeg kontakta. Da bi solarna ćelija bila što učinkovitija u odvajanju elektrona, CIGS sloj se tretira s rubidijevim fluoridom. Ravnoteža između dva alkalna metala, natrija i rubidija, te sastav CIGS sloja ključni su za efikasnost pretvorbe, tj. udio kompletnog solarnog spektra koji se pretvara u električnu energiju u solarnoj ćeliji.

Kada instituti za mjerenje provode svoja testiranja, efikasnost solarne ćelije mjere koristeći filtrirano svjetlo koje oponaša sunce, kako po intenzitetu tako i po spektru. Tijekom mjerenja, temperatura solarne ćelije održava se kontroliranom, a neovisni instituti redovito šalju jedni drugima kalibracijske solarne ćelije. Za registraciju svjetskog rekorda, potrebno je neovisno mjerenje, što je u ovom slučaju izvršio institut Fraunhofer ISE.

Naša studija pokazuje da je tehnologija tankoslojnih CIGS solarnih ćelija konkurentna alternativa kao samostalna solarna ćelija. Ova tehnologija posjeduje i svojstva koja se mogu primjeniti u drugim kontekstima, na primjer kao donja ćelija u tandemu solarnih ćelija, navodi Edoff.

Korištene su brojne napredne metode mjerenja kako bi se bolje razumjela povezanost između efikasnosti i strukture solarne ćelije: materijal iz solarne ćelije karakteriziran je nano-XRF (spektroskopijom fluorescencije X-zraka) u MAX IV objektu u Lundu, gdje je provedena pažljiva analiza sastava. Visokorazlučiva transmisijska elektronska mikroskopija (TEM) korištena je za proučavanje presjeka solarne ćelije, kako sastava funkcionalno dubini tako i načina na koji su izgrađena kristalna zrna, kao i sučelja između slojeva. Fotoluminiscencija je iskorištena za proučavanje spektra svjetlosti koju solarna ćelija emitira nakon uzbuđenja laserom, kao sredstvo za razumijevanje kako solarna ćelija interno koristi elektrone. Solarna ćelija koja svijetli jače ima manji udio unutarnjih gubitaka topline u odnosu na solarnu ćeliju koja slabo svijetli. Naposljetku, korištene su električne metode mjerenja za analizu dopinga CIGS materijala.

Činjenica da sada držimo svjetski rekord mnogo znači kako za Sveučilište u Uppsali tako i za First Solar European Technology Center. Za tehnologiju CIGS, koja je poznata po visokoj pouzdanosti, svjetski rekord također znači da bi mogla ponuditi izvedivo rješenje za nove primjene, primjerice u tandemu solarnih ćelija. Ovo je važno za naše istraživačke kolege diljem svijeta. Nadamo se da će analize materijalnih i električnih svojstava pružiti osnovu za daljnja poboljšanja učinkovitosti, zaključuje Edoff.

Izvor: Uppsala University