Atât strategiile politice mondiale (vedeţi REN21), cât şi cele europene (vedeţi Directiva UE 2009/28/EC) previzionau pentru anul 2020 depăşirea procentului de 20% de regenerabile din mixul producţiei de energie electrică. (Mai recent, Directiva EU 2018/2001 a stabilit procentul de 32% până în 2030.) Contextul este deci firesc pentru a încuraja căutările de soluţii cât mai bune, atât ca performanţă energetică, cât şi din perspectiva aplicabilităţii economice.
Context politic, dar şi tehnologic
Rapoartele REN21 (Renewable Energy Policy Network) notează că aproape o cincime din producţia mondială de energie provine din surse regenerabile, din care energia solară a ajuns la o capacitate cumulată de 400 gigawaţi. (În mixul energetic al României energiile regenerabile au un procent de 25-30%, însă acesta se datorează în mare parte hidrocentralelor, nu tehnologiilor solare sau eoliene. În privinţa energiei solare, avem declarată o capacitate de 1300 MW, însă un potenţial mai mare decât al multor ţări europene.)
Referitor la contextul tehnico-ştiinţific, aflăm că 95% din energia electrică solară este generată de celule fotovoltaice bazate pe siliciu, adică o tehnologie dezvoltată în anii 1970. Dar, notăm că în ultimii ani s-au experimentat şi produs şi alte tipuri de celule fotovoltaice, fie derivate din clasica celulă de siliciu, fie folosind materiale organice (polimeri). Pentru multe decenii avantajul net al siliciului a fost eficienţa conversiei de energie, stabilită teoretic la 32% (conform legii fizice formulate de Shockley- Queisser).
Însă în realitate celulele solare mono-cristaline ajung la un maxim de 24%, şi doar prin artificii tehnologice (precum muti-stratificarea sau prin folosirea de adjuvante optice) se poate creşte acest procent. (Recordul actual pentru celula simplă, deţinut de compania Kaneka, este de 26,6%.) În cazul celulelor folosind materiale organice s-a pornit de la o rată de conversie de 1-3% şi s-a depăşit cu greu procentul de 10% (şi de-abia în structuri de tandem eficienţa lor energetică ajunge aproape de 20%).
Limita de eficienţă Shockley-Queisser stabileşte eficienţa teoretică maximă (de conversie a energiei luminoase în energie electrică) pe care o poate atinge o celulă solară constituită dintr-o singură joncţiune semiconductoare p-n şi care nu beneficiază de concentratori optici ai luminii. Pentru siliciu limita este de 32%, datorită intervalului de joncţiune minim de 1,1 electron-volţi.
Diverse abordări şi soluţii bazale
Însă nu doar că eficienţa energetică este mai slabă la soluţiile alternative, dar celulele cu siliciu s-au dovedit şi mult mai durabile în exploatare: randamentul de conversie al materialelor organice scade semnificativ în timp. Totuşi, se fac cercetări atât în direcţia optimizării celulelor fotovoltaice cu siliciu, cât şi în găsirea de noi soluţii bazate pe alte materiale.
De exemplu, tehnologia PERC (passivated emitter and rear cell), bazată pe siliciu şi formulată în 1989, a cunoscut în ultimul timp realizări remarcabile. Celulele fotovoltaice de tip PERC dovedesc atât randament mare de conversie cât şi o bună fezabilitate industrială (mai ales în volume de producţie mari).
De observat că o parte dintre producătorii de fotovoltaice au ales direcţia scăderii preţului de fabricaţie, şi au optat pe semiconductori ultrasubţiri. De exemplu, compania americană First Solar comercializează dispozitive bazate pe telurura de cadmiu (CdTe), substanţă având structură cristalină similară siliciului şi care poate produce filme flexibile având grosimea de 50 de ori mai mică decât cea a wafer-elor de siliciu. Aspectul acesta face ca fotovoltaicele cu CdTe să fie foarte uşor/ ieftin de fabricat (eficienţa de conversie a modulelor actuale este de 17-18%, însă costă doar 20 cenţi per watt).
În ultimul timp s-au obţinut rezultate promiţătoare cu materialele minerale din clasa perovskitului, care este un oxid de calciu și titan (CaTiO3). Experimentele au vizat inclusiv substituirea unor atomi din structura cristalină a titanatului de calciu pentru accentuarea unor proprietăţi ale materialului. Actualmente au fost identificate aproape 500 de milioane de perovskituri, iar eficienţa energetică a celulelor fotovoltaice a crescut în ultimii cinci ani de la zero la 22%, ceea ce le dovedeşte potenţialul.
Dar şi soluţii verticale
În afara cercetărilor în direcţia materialului de bază al celulei fotovoltaice, în lume s-au manifestat şi multe experimente vizând creşterea eficienţei prin modalităţi de agregare a celulelor solare.
O primă soluţie de augmentare a efectului fotovoltaic presupune construirea celulei din mai multe straturi semiconductoare, având goluri de bandă diferite și răspunzând la mai multe lungimi de undă ale luminii, care astfel pot capta şi energia ce s-ar pierde la joncţiunea simplă. În realizările practice aceste celule solare multi-juncţiune (MJ) au o eficienţă a conversiei de 20 - 30%, şi depăşesc 40% când se recurge la concentrarea luminii solare. Însă această eficienţă se atinge prin eforturi tehnologice şi financiare semnificative, astfel că deocamdată MJ se foloseşte aproape exclusiv în aplicaţii aerospaţiale.
Orice material fotovoltaic răspunde doar la o mică porţiune a spectrului electromagnetic (conform proprietăţii ,,bandgap’’), astfel că absoarbe doar fotoni de o anumită energie şi de o anumită lungime de undă. Arhitectura multi-joncţiune încorporează o suprapunere de mai multe straturi semiconductoare, fiecare strat ocupându-se de o porţiune a spectrului din lumina incidentă.
Cercetări recente ale laboratoarelor din Oxford au vizat cuplarea în tandem a straturilor de siliciu cu cele de perovskit, iar celula fotovoltaică având două astfel de joncţiuni a atins o eficienţă de 43%.
Domeniul spaţial a constituit în mod firesc un catalizator pentru evoluţia tehnologiilor fotovoltaice: cerinţa eficienţei energetice ridicate pentru sateliţi şi vehicule cosmice a condus la găsirea de soluţii solide. Aşa se face că în anii 1990 se dezvoltau foarte mult semiconductorii folosind elemente chimice din grupele III şi V (GaAs; InP). Celulele pe bază de arseniură de galiu dovedesc astăzi cea mai ridicată eficienţă mono-joncţiune (29,1%), se pretează la cuplarea cu alte materiale (multi-joncţiune) şi dovedesc o rezistenţă deosebită la condiţii vitrege (fiind mai rezistente la radiaţia cosmică decât celulele cu siliciu). Însă galiul şi indiu se găsesc greu, iar fabricarea acestor panouri fotovoltaice este foarte scumpă.
Dar probabil că cea mai fezabilă soluţie pentru ridicarea eficienţei energetice a panourilor este folosirea concentratoarelor fotovoltaice (CPV), adică angajarea de diverse artificii optice (lentile, oglinzi) pentru a creşte cantitatea de energie solară incidentă pe celula fotovoltaică.
De obicei această abordare presupune ca subsistemul de focalizare a luminii (sau chiar întregul panou) să fie capabil să se orienteze automat (urmărind evoluţia soarelui pe boltă) pentru a obţine expunerea maximă (aşa cum scriam şi într-un articol din T&T nr. 6/2008). Iar performanţele atinse astăzi – o eficienţă a conversiei energetice de 41,4% – vădesc că abordarea CPV este una foarte viabilă.
