Modelowanie Silvaco TCAD, symulacja optyczna i optymalizacja tandemowych ogniw perowskitowych i u-CIGS o dużym prądzie z wydajnością powyżej 30%

Czystsza energia dzięki mądrzejszemu zbieraniu światła

W miarę jak świat poszukuje sposobów na ograniczenie emisji dwutlenku węgla przy jednoczesnym zaspokajaniu rosnącego zapotrzebowania na energię, panele słoneczne muszą wyciągać więcej z każdego promienia słońca. W badaniu tym analizuje się nowy typ ogniwa „tandemowego”, który układa dwie zaawansowane warstwy absorbujące światło, dążąc do uzyskania większej ilości energii z tej samej ilości światła, przy jednoczesnym unikaniu rzadkich lub toksycznych pierwiastków, takich jak ołów i ind. Praca wykorzystuje szczegółowe symulacje komputerowe, aby pokazać, jak taki projekt mógłby realistycznie osiągnąć wydajność powyżej 30%, co stanowi znaczący krok naprzód w porównaniu z większością paneli dachowych dostępnych dziś.

Dlaczego nakładanie warstw poprawia wydajność

Konwencjonalne panele słoneczne używają jednej warstwy absorbującej światło, co oznacza, że mogą wychwycić tylko fotony o wystarczającej energii, by pokonać przerwę energetyczną tego materiału. Fotony o wyższej energii tracą nadmiar energii jako ciepło, a fotony o niższej energii przechodzą przez materiał, co w obu przypadkach oznacza straty światła. Ogniwo tandemowe rozwiązuje ten problem, układając dwie różne warstwy absorbujące. Górna warstwa jest dostrojona do wychwytywania bardziej niebieskiej, energetycznej części widma, podczas gdy dolna warstwa jest skierowana na przechwytywanie bardziej czerwonego, niżej energetycznego światła, które prześlizguje się przez warstwę górną. Ponieważ każda warstwa pracuje bliżej swojego optymalnego zakresu energetycznego, połączone urządzenie może przekształcić większy udział światła słonecznego w użyteczną energię elektryczną.

Budowanie bardziej ekologicznego tandemu: bez ołowiu i bez indu

Autorzy zaprojektowali dwu-warstwowe ogniwo, w którym górna komórka składa się z perowskitu bez ołowiu o nazwie jodek metylamoniowo-bis(tryb) bismutu (MBI), a dolna komórka to cienka warstwa znanego półprzewodnika CIGS (miedź–ind–gall–selenek). Aby uniknąć użycia rzadkiego indu w przezroczystym przednim elektrodzie, zastąpili powszechnie stosowany tlenek indu-cyny (ITO) tlenkiem cyny domieszkowanym fluorem (FTO). FTO nie tylko eliminuje obawy związane z dostępnością surowca, ale także lepiej znosi wyższe temperatury i obciążenia mechaniczne, co czyni go atrakcyjnym dla produkcji na dużą skalę. Symulowana pojedyncza komórka MBI z FTO osiąga sama w sobie ponad 15% wydajności, tworząc solidną podstawę do jej połączenia z warstwą CIGS poniżej.

Jak precyzyjne strojenie otwiera drogę do wysokiej wydajności

Sam fakt nałożenia jednej komórki na drugą nie gwarantuje lepszego panelu: oba podogniwa muszą dostarczać ten sam prąd elektryczny przy połączeniu szeregowym, inaczej słabsze ograniczy całe urządzenie. Aby to rozwiązać, badacze zastosowali dwuetapowe, numeryczne wyszukiwanie, by precyzyjnie dobrać grubość warstwy MBI tak, by prądy z górnej i dolnej komórki zgadzały się w niewielkim marginesie. Modelowali także, jak światło się odbija, interferuje i jest absorbowane podczas przejścia przez każdą warstwę — od pokrycia szklanego i przedniego kontaktu FTO, przez perowskit i bardzo cienki łącznik na bazie złota, aż po warstwę CIGS i tylny kontakt metalowy. Równocześnie obliczali, jak poruszają się, rekombinują i są zbierane elektrony i dziury, używając modeli fizycznych zweryfikowanych na podstawie rzeczywistych eksperymentów na pojedynczych ogniwach.

Co symulacje ujawniają o ogniwie tandemowym

Z uwzględnieniem tych szczegółów, symulowane ogniwo tandemowe wykorzystuje warstwę MBI o grubości około 420 nanometrów na 500‑nanometrowej warstwie CIGS. Górna komórka pochłania niemal całe światło o długościach fali krótszych niż około 650 nanometrów, podczas gdy fotony o dłuższych długościach fali przechodzą i są efektywnie wychwytywane przez CIGS. W rezultacie obie warstwy osiągają wspólną gęstość prądu bliską 20 miliamperów na centymetr kwadratowy. Przy idealizujących założeniach dotyczących doskonałości materiałów i strat optycznych model daje imponującą sprawność konwersji mocy rzędu 36%. Gdy autorzy uwzględniają bardziej realistyczne poziomy defektów i strat na granicach warstw, wydajność ustabilizowała się wokół 30%, nadal znacząco powyżej większości komercyjnych ogniw jednojunctionowych i zgodnie z najlepszymi prototypami tandemowymi opisywanymi w ostatnich latach.

Dlaczego to podejście ma znaczenie dla przyszłych paneli słonecznych

Dla nietechnicznych czytelników kluczową wiadomością jest to, że inteligentny projekt — a nie egzotyczna nowa fizyka — może przesunąć panele słoneczne daleko poza dzisiejsze granice wydajności. Poprzez nałożenie perowskitu bez ołowiu dostrojonego do niebieskiego światła na warstwę CIGS dostrojoną do czerwonego światła, oraz zastąpienie rzadkiego indu bardziej odpornym szkłem FTO, autorzy wskazują ścieżkę do czystszych, bardziej wydajnych i bardziej zrównoważonych modułów słonecznych. Ich symulacje służą jako mapa drogowa, pokazując, które grubości warstw, materiały kontaktowe i jakości granic mają największe znaczenie. Jeśli naukowcom materiałowym uda się zbliżyć do tych warunków w laboratorium i przemyśle, panele słoneczne zdolne do konwersji jednej trzeciej lub więcej padającego światła w elektryczność mogą stać się praktyczną rzeczywistością, pomagając zaspokoić globalne zapotrzebowanie na energię przy mniejszej liczbie paneli, mniejszym zużyciu terenu i mniejszym wpływie na środowisko.

Cytowanie: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Słowa kluczowe: ogniwa tandemowe, fotowoltaika perowskitowa, CIGS cienkowarstwowy, materiały słoneczne bez ołowiu, symulacja ogniw słonecznych