Eficiența celulei fotovoltaice: Evoluția spre recordurile actuale

De la modesta eficiență de 4% a primei celule fotovoltaice dezvoltate în 1954 de către cercetătorii de la Laboratoarele Bell din SUA, tehnologia fotovoltaică a parcurs un drum lung. În acest articol, explorăm evoluția celulelor fotovoltaice, de la inovațiile inițiale până la recordurile de eficacitate stabilite în prezent, subliniind competitivitatea intensă dintre cercetători pentru atingerea celor mai înalte standarde de performanță.

În 2023, compania chineză Longi a stabilit un nou record mondial pentru celula fotovoltaică tandem siliciu-perovskit cu o eficiență de conversie de 33.9%, surclasând ușor recordul precedent deținut de Universitatea King Abdullah de Știință și Tehnologie (KAUST) din Arabia Saudită. Chiar dacă limita teoretică de 43% pare de neatins în comercializarea de sisteme fotovoltaice, progresele înregistrate ne arată că potențialul celulelor fotovoltaice este departe de a fi epuizat.

Recordurile nu se opresc aici. În 2018, Institutul pentru Cercetarea Energiei Solare Hamelin (ISFH) și Universitatea Leibniz din Hanovra, din Germania, au reușit să atingă o eficiență de 26.1% pentru celulele de tip monocristaline (cele mai folosite în industria fotovoltaică), iar Academia Chineză de Științe a stabilit un record similar pentru celulele perovskite în 2023.

Celulele fotovoltaice monocristaline au început să fie produse de Mobil Solar (acum parte din ExxonMobil) în SUA în 1977, având pe atunci o eficiență de 13.9%, pe când celulele fotovoltaice perovskite au fost produse prima dată de Școala Politehnică Federală din Lausanne în Elveția în 2013, cu o eficiență de 14.1%.

Înțelegerea celulelor tandem perovskite

În chimie, "siliciu" (cu simbolul Si și numărul atomic 14) descrie un element semiconductor metaloid, solid și cristalin, care prezintă un luciu metalic albastru-gri. Termenul "silicon" este utilizat în mod frecvent în limba engleză pentru a se referi la siliciu, însă în contexte neștiințifice este adesea folosit pentru a denumi polimerii care conțin siliciu, precum siliconii și siloxanii. Este important să nu confundăm acești termeni; "siliciu" este elementul folosit ca fundament în tehnologia celulelor solare, în timp ce "siliconii" se referă la o clasă diferită de materiale, fiind compuși organosilicici utilizați în diverse aplicații industriale și medicale.

Celulele fotovoltaice monocristaline și policristaline utilizează siliciul pentru a converti lumina solară în electricitate. Monocristalinele sunt formate dintr-un singur cristal de siliciu, oferind o eficiență superioară datorită structurii lor uniforme care facilitează fluxul liber al electronilor. Acestea se disting prin aspectul lor neted și culoarea închisă. Policristalinele, pe de altă parte, sunt create prin fuzionarea mai multor cristale mici de siliciu, rezultând într-o eficiență ceva mai scăzută din cauza granițelor cristaline care pot încetini mișcarea electronilor. Se recunosc după textura lor granulară și nuanta mai deschisă.

Perovskitele, descrise prin formula ABX₃ (unde "A" și "B" sunt ioni de dimensiuni diferite care ocupă locuri specifice în rețeaua cristalină, iar "X" este un anion care leagă cele două tipuri de cationi), reprezintă o clasă de materiale cu o structură cristalină specială, care a intrat în atenția cercetării pentru eficiența remarcabilă în conversia energiei solare. Descoperite inițial ca minerale naturale de geologul Gustav Rose în 1839 și numite după mineralogul rus Lev Alekseevici Perovski, perovskitele au evoluat spre forme sintetice adaptate pentru a îmbunătăți performanța celulelor solare. Aceste materiale promit eficiențe înalte și costuri de producție reduse, deși provocările legate de stabilitate și toxicitate necesită atenție continuă.

Celulele fotovoltaice tandem care combină siliciu și perovskit exploatează spectrul solar mai eficient, ducând la o creștere semnificativă a eficienței. Prin armonizarea proprietăților acestor două materiale, se optimizează absorbția luminii solare și se maximizează conversia energetică, deschizând calea către o nouă eră a tehnologiei fotovoltaice.

Celulele fotovoltaice perovskite au atras interes semnificativ datorită eficienței ridicate, posibilităților de adaptare a proprietăților, flexibilității și greutății reduse, precum și costurilor de producție potențial mai scăzute. Aceste avantaje vin însă cu provocările legate de stabilitate și toxicitatea potențială, aspecte asupra cărora cercetarea continuă să se concentreze.

Mai multe informații interesante despre celule puteți descoperi în articolul nostru de blog dedicat tipurilor de panouri fotovoltaice.

Progresul altor tipuri de celule fotovoltaice și recordurile stabilite

Celulele policristaline, similare cu cele monocristaline dar diferite din cauza structurii cristaline, au fost produse prima dată de Solarex (parte a BP Solar, care a fost desființată în 2011) în SUA în 1984, cu o eficiență de 15.2%, iar recordul a fost bătut de Jinko Solar din China, în 2020, cu o eficiență de 24.4%.

Tehnologiile cu film subțire au demarat în 1976. Celulele de tip CdTe, produse de Matsushita (acum Panasonic) în Japonia, au început cu o eficiență de 8.9%, iar recordul a fost stabilit de First Solar din SUA de 22.4% în 2023. 
Celulele fotovoltaice de tip CIGS, produse de Universitatea din Maine în SUA, au început cu o eficiență de 5.8%, cu record în 2023 de 23.6% stabilit de Evolar din Suedia. 
Cele amorfe de siliciu hidrogenat (stabilizate) au fost produse de RCA (Corporația Radio din America, desființată în 1986) cu o eficiență de 6% și cu record stabilit de National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) din Japonia de 14%.

Celulele fotovoltaice cu o singură joncțiune GaAs au fost produse în 1977 de IBM și Centrul de Cercetare T.J. Watson (parte din IBM) în SUA cu o eficiență de 22.2%, iar recordul a fost stabilit de LG din Coreea de Sud cu 27.8%. Cele cu film subțire cristalin au început cu 24.7% în 2005, produse de Universitatea Radboud din Olanda, și cu record în 2018 de 29.1% de Alta Devices (acum parte din Hanergy) din SUA.

Celulele fotovoltaice multijoncțiune au fost produse prima dată în 1989 de Varian (acum parte din Varian Medical Systems și Agilent Technologies după divizare) în SUA, cu o eficiență de 27.6% (două joncțiuni), și au atins recordul de 39.46% (trei joncțiuni) în 2021, fiind produse de Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă (NREL) din SUA.

Evoluția eficienței celulelor fotovoltaice ilustrată prin progresul tehnologic și recordurile succesive subliniază potențialul enorm al acestei tehnologii. Cu cercetare continuă și inovație, celulele fotovoltaice sunt pe cale să devină și mai eficiente și mai accesibile, contribuind semnificativ la tranziția globală către surse de energie regenerabilă. Celulele emergente, cum ar fi cele perovskite, organice sau cu puncte cuantice, promit să aducă noi îmbunătățiri în eficiență și costuri. Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă (NREL) pune la dispoziție o resursă valoroasă pentru monitorizarea acestor progrese, incluzând grafice detaliate și tabele dinamice, optimizate pentru vizualizare pe ecrane mari, disponibile aici.