Marca letos  so s Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani sporočili, da jim je uspel še en mejnik v fotovoltaiki s slovenskim podpisom. Dr. Marko Jošt in sodelavci Laboratorija za fotovoltaiko in optoelektroniko (LPVO) Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani pod vodstvom prof. dr. Marka Topiča nadaljujejo z uspehi na področju raziskav perovskitnih tandemskih sončnih celic.  

Po razvoju in izdelavi rekordne 25,5 % perovskitno-silicijeve sončne celice v letu 2018 ter sodelovanju pri razvoju nove rekordne celice iste tehnologije z učinkovitostjo pretvorbe 29,2 % v letu 2020 beležijo nov mejnik.  V zaključku svojega podoktorskega usposabljanja na Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) je dr. Marko Jošt s sodelavci izdelal perovskitno-CIGS tandemsko sončno celico z do zdaj največjo, 24,2 % učinkovitostjo pretvorbe svetlobne energije v električno.

Področje dr. Jošta so perovskiti, preučuje jih kot nov absorpcijski material. Na tem področju se poleg izboljšanja učinkovitosti ukvarjajo predvsem z izboljšanjem življenjske dobe celic in povečanjem površine, pojasni: "V primerjavi s klasičnimi silicijevimi celicami so naše laboratorijske veliko manjše, prav tako degradirajo hitreje. A silicij ima prednosti 60 let raziskav."  V Laboratoriju za fotovoltaiko in optoelektroniko (LPVO) na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani lahko zaenkrat  izdelujejo samo enospojne perovskitne sončne celice, kot izpostavlja dr. Jošt, s katerim smo se pogovarjali o novem mejniku v fotovoltaiki, pa upa, da bodo v prihodnosti z nekaj investicijami lahko izdelovali tudi tandemske. 

Koliko se globalno in pri nas vlaga v razvoj sončnih celic in tega vira energije, kako ocenjujete trenutno situacijo na tem področju?

Situacija se vsekakor izboljšuje, tudi na račun znižanja cene pridobivanja električne energije iz sonca. Fotovoltaika je namreč postala najcenejši vir električne energije. Poleg tega število postavljenih elektrarn v svetu narašča eksponentno, pred kratkim smo dosegli kumulativno moč postavljenih modulov 1 TW (teravat), a je to v primerjavi z energijo iz fosilnih goriv zelo malo. Tudi v Sloveniji imamo par dobrih primerov, kot so recimo elektrarna v Praprotnem, Zlatoličju, na strehah Steklarne Hrastnik in Cinkarne.

Tako da fotovoltaika postaja vse bolj pomembna, predvsem v luči boja proti podnebnim spremembam in energetske neodvisnosti držav. Medtem ko so pristojni odločevalci na prvo žal še kar neobčutljivi, so nedavni konflikti z Rusijo dvignili pomembnost in interes tako za fotovoltaiko kot tudi druge obnovljive vire. Če bi recimo del subvencij namesto proizvjalcem fosilnih goriv namenili fotovoltaiki, bi se ta prehod na čistejše vire zgodil še veliko hitreje.

Uspelo vam je torej razviti nov mejnik v fotovoltaiki. Zakaj gre za nov mejnik, koliko učinkovitejša je takšna tandemska sončna celica?

Naša celica je trenutno najučinkovitejša perovskitna-CIGS sončna celica. Uradno certificirana vrednost je 24,2 %, kar je za 1 odstotno točko več, kot je imela prejšnja. Tudi v fotovoltaiki imamo lestvico rekordnih dosežkov (NREL Best efficiency chart), kjer se zapisujejo rekordne učinkovitosti pretvorbe za posamezne fotovoltaične tehnologije in ta, tudi slovenski, dosežek je sedaj zapisan na tej lestvici. 

Kaj konkretno to izboljšanje, ki ste ga dosegli, pomeni? Koliko več energije lahko proizvede takšna sončna celica in posledica česa je večja zmogljivost?

Naša rekordna celica je nov korak na poti k komercializaciji tandemskih sončnih celic. Namreč, učinkovitejša, kot je celica, bolj je zanimiva za industrijo, večja je možnost, da bo ta tehnologija prišla na trg. V naši objavi smo poleg tega z uporabo simulacij naredili tudi optično optimizacijo te tandemske sončne celice. Pokazali smo, da bi lahko z integracijo že razvitih postopkov in nadaljnjim razvojem dosegli učinkovitost 32 %. Analiza proizvedene energije je pokazala, da bi se s tem povečala pridobljena energija za okoli 40 %. To pa je že številka, ki pritegne investitorje in velike proizvajalce sončnih celic.

Po čem se glede na sam mehanizem in uporabljene materiale razlikuje od ostalih sončnih celic?

Klasične sončne celice, ki jih vidimo na strehah, imajo samo eno absorpcijsko plast, večinoma je to silicij, ki absorbira fotone. Tandemske sončne celice pa imajo dve takšni plasti. V našem primeru sta to perovskit kot zgornja celica in CIGS kot spodnja, še pogostejše pa so takšne, kjer je spodnja celica iz silicija. Tandemske celice so veliko učinkovitejše pri izkoristku sončnega spektra, saj imajo manjše t. i. termalizacijske izgube. Zgornja celica je namreč veliko učinkovitejša pri absorbciji vidne svetlobe kot spodnja, ki pa nato absorbira prepuščeno IR-svetlobo.

Ali bo to kmalu uporabljeno tudi za potrebe trga? V kolikšnem času? Kaj takšnem mejnik konkretno pomeni za uporabnike sončnih celic? 

Tukaj gre bolj za razvoj kot odkritje. Ta razvoj v laboratorijih je izjemno hiter, v štirih letih se je učinkovitost pretvorbe s tandemskimi sončnimi celicami na osnovi perovskite povečala za skoraj polovico. Ko nam bo to uspelo prenesti še na nivo sončnih modulov, bo to pomenilo še cenejše pridobivanje električne energije iz sonca, pri čemer bomo na enaki površini pridobili več energije oz. bomo za enako količino energije potrebovali veliko manjšo površino elektrarne. Z razvojem in industrializacijo modulov na osnovi tandemskih celic se ukvarja več zagonskih podjetij. Po njihovih besedah bi morali biti takšni moduli na trgu v kratkem, a je pandemija to rahlo zamaknila.

Kako zahtevna so raziskovanja in razvoj na tem področju, kaj so največji izzivi na področju fotovoltaike? 

Raziskovanje v fotovoltaiki pokriva zelo široko področje, od razvoja in iskanja novih fotovoltiačnih materialov in kontaktnih plasti do izdelave modulov in analize velikih fotovoltaičnih sistemov. Zaradi vedno večjega interesa narašča število raziskovalcev na tem področju. To prinaša veliko dinamičnosti, po eni strani gresta razvoj in odkritja zelo hitro naprej, skoraj vsak dan je kaj novega, vsako leto je objavljenih več kot 3000 člankov samo na področju perovskitov. Po drugi strani pa to prinaša kar nekaj konkurence. Treba je najti primerno temo, nišo, da lahko pridemo do kakovostnih objav. Se zgodi, da nas s podobno idejo in rezultati za kakšen mesec ali dva prehiti kakšna druga skupina.

Ali se skupaj z izboljšavo sončnih celic izboljšuje oziroma razvija tudi področje njihovega odstranjevanja oziroma odpadnih baterij, ki veljajo za eno večjih težav sončne energije? 

Odstranjevanje in potem recikliranje bosta kmalu zelo pomembna. Večina modulov ima življenjsko dobo okoli 25 do 30 let, tako da bi bili sedaj na vrsti moduli postavljeni okoli leta 1995 ali 2000. Takšnih modulov zaenkrat še ni veliko, ker jih takrat še ni bilo veliko postavljenih, bo pa količina modulov za reciklažo vedno bolj naraščala. Sam vidim v tem prej poslovno priložnost kot oviro. Velik del modula se namreč da reciklirati, največji problem staranja modulov je polimerna enkapsulacijska folija, medtem ko bi se steklo, kovinski okvirji pa tudi sam silicij dali ponovno uporabiti. Podobno velja tudi za baterije, ki so se z razvojem električnih avtomobilov zelo razvile. Tukaj si nekako delimo raziskovanje z veliko močnejšo avtomobilsko industrijo, kar nam je olajšalo in prihranilo veliko dela. Tudi baterije se dajo reciklirati, še več, pokazali so, da so odslužene avtomobilske baterije še vedno primerne za shranjevanje elektrike iz sončnih elektrarn, kar baterijam zelo podaljša uporabno življenjsko dobo.