Ogniwa i moduły fotowoltaiczne na bazie krzemu krystalicznego (c-Si) zdominowały sektor PV pod względem montowanych instalacji, z wielu powodów takich jak: brak toksyczności, dostępność krzemu czy niezawodność. Dzięki dobrze rozwiniętej technologii i sprawności powyżej 20 % utrzymują silną pozycję wśród dostawców i użytkowników osiągając ponad 95 % rynku światowego. Należy jednak pamiętać, że dla krzemowych urządzeń jednozłączowych, a do takich właśnie należą te spotykane na co dzień, istnieje limit sprawności konwersji słonecznej tzw. granica Shockley’a-Queisser’a wynosząca 29,4 %. Tandemowe ogniwa słoneczne są zatem odpowiedzią na ograniczoną zdolność produkcji energii elektrycznej „zwykłych” ogniw krzemowych.

Definicja tandemowego ogniwa słonecznego zakłada, że architektura ogniwa będzie składała się z różnych materiałów, a dodatkowo będzie posiadała więcej niż jedno złącze. Obecność złącza pozwala na separowanie nośników elektrycznych (elektronów i dziur) w ogniwie słonecznym, aby wytworzyć napięcie i użyteczną pracę. Istnieje wiele możliwych sposobów ekstrakcji nośników z ogniwa słonecznego, ale najczęściej używane jest złącze p-n, a jego analiza stanowi podstawę dla innych urządzeń.

Dwoma głównymi czynnikami ograniczającymi wydajność jednozłączowych ogniw słonecznych są ograniczona absorpcja fotonów o energiach niższych od pasma wzbronionego oraz straty wynikające z termalizacji. Biorąc te czynniki pod uwagę naturalnym następstwem jest integracja materiałów, tzw. absorberów, o różnych pasmach wzbronionych w strukturę wielozłączową. Najprostsza metoda, która polega na łączeniu materiału o wysokiej przerwie wzbronionej na wierzchu materiału o niskiej przerwie wzbronionej, nazywa się strukturą tandemową (rys. 1).

Rys. 1. Schemat ogniwa dwuzłączowego ogniwa tandemowego [inspiracja - pveducation.org]

W strukturze tandemowej materiał o wysokiej przerwie wzbronionej jest używany jako górna komórka podrzędna do efektywnego pochłaniania fotonów o wysokiej energii (krótkiej długości fali) i przepuszczania fotonów o niskiej energii tj. niższej od przerwy wzbronionej materiału absorbera, z którego zbudowane jest to ogniwo. Przepuszczone widmo zostaje skierowane do materiału o niskiej przerwie wzbronionej (dolnej komórki podrzędnej) i tam zostaje zaabsorbowane. Proces ten pozwala na zebranie maksymalnej liczby fotonów przy wykorzystaniu szerokiego widma słonecznego i minimalizacji procesu termalizacji.

W przypadku dolnych absorberów, ogniwa słoneczne na bazie krzemu krystalicznego (c-Si) są idealnymi kandydatami ze względu na ich konkurencyjną pod względem kosztów produkcję (w oparciu o ich dominację na rynku), wysokie napięcie obwodu otwartego do 0,75 V, wysoką wydajność i odpowiednią wartość pasma zabronionego (1,1 eV). Dotychczasowy rozwój technologii pozwolił na zastosowanie wielu różnych materiałów w poszukiwaniu najlepszego górnego podogniwa dopasowanego do krzemowego ogniwa słonecznego. Pierwszym wyborem, z uwagi na wysoką wydajność i przestrajalną przerwę wzbronioną, stały się półprzewodniki grupy III–V układu okresowego. Przykładowo kombinacja dwóch materiałów, GaAs i GalnP, jako górnego podogniwa z wykorzystaniem krzemu krystalicznego w postaci dolnego podogniwa, doprowadziła do wytworzenia tandemowego ogniwa o sprawności przekraczającej 32% (Cariou et al., 2018). Niestety wysublimowana technologia wytwarzania ogniw i dostępność pierwiastków z grupy III-V wiąże się z wysokimi kosztami produkcji, jednocześnie ograniczając ich zastosowanie do misji kosmicznych. Przełomowym momentem okazało się więc wykorzystanie materiału prostego i taniego w otrzymywaniu, wykazującego wysoką sprawność i znakomite parametry optoelektroniczne – materiału o znaczącym potencjale rozwojowym czyli perowskitu. To właśnie wysoka absorpcja fotonów w materiale, sterowalność przerwą wzbronioną w szerokim zakresie spektrum, wysoka wartość napięcia obwodu otwartego oraz długość drogi dyfuzji umożliwiły wręcz idealne sparowanie z ogniwem krzemowym.

Rys. 2. Tandemowe ogniwo słoneczne o powierzchni 1 cm2 wytworzone przez EPFL i CSEM (zdjęcie komercyjne, udostępnione przez EPFL).

Perowskity przyciągnęły uwagę społeczności naukowej niespotykanym wzrostem sprawności konwersji fotowoltaicznej ogniw z nich zbudowanych z 3,8 % w 2009 roku (Kojima i in., 2009) do 25,7 % w 2021 (Jeong i in., 2021). Ponadto obecny rekord sprawności tandemowego ogniwa krzem/perowskit już przekroczył długo nieosiągalną granicę 30 %. Ogniwo o powierzchni 1 cm2 wytworzone przez naukowców z Politechniki w Lozannie (EPFL) przy współpracy ze Szwajcarskim Centrum Elektroniki i Mikrotechnologii (CSEM) wykazało sprawność wynoszącą 31,25 % (rys. 2).

Technologia ogniw tandemowych wymaga dalszych badań z uwagi na limity dotyczące komercjalizacji ogniw słonecznych. Wyzwań wymagających rozwiązania jest wiele rozpoczynając od aspektów fizycznych związanych z jednorodnością warstw, transmisją spektrum słonecznego przez elektrodę przednią i poszczególne warstwy ogniwa, efektywnym transportem nośników elektrycznych, stratami wynikającymi z odbicia od powierzchni ogniwa czy też uzyskaniem wysokich parametrów elektrycznych, a kończąc na długoterminowej stabilności samego perowskitu oraz całego układu i przeskalowaniu małego ogniwa do wielkości obecnych modułów krzemowych. Wśród topowych kierunków badawczych obserwuje się prace B+R skupione na stabilności ogniw, pułapkowaniu światła słonecznego wewnątrz struktury, minimalizacji kosztów otrzymywania modułów tandemowych oraz ograniczenia toksycznych elementów urządzenia fotowoltaicznego.

Podsumowując, tandemowe ogniwa słoneczne, szczególnie te na bazie krzemu krystalicznego i perowskitu wykazują ogromny potencjał nie tylko do zastąpienia obecnych urządzeń krzemowych, ale również długoterminowego przodowania w technologiach PV. Wysiłki naukowców i zainwestowane znaczne nakłady finansowe dają nadzieję na powszechną obecność modułów tandemowych w pespektywie nadchodzących lat.