Ogniwa tandemowe perowskit-krzem zbliżają się do 35% sprawności: Raport Nature o wyzwaniach komercjalizacji

Ogniwa krzemowe pozostają podstawą światowej fotowoltaiki, ale pojedyncze złącze ma ograniczoną sprawność wynikającą z fizyki. Dlatego naukowcy rozwijają tandemy perowskit–krzem, które dzielą światło słoneczne między dwie warstwy półprzewodnikowe. Rekordowe ogniwa laboratoryjne osiągnęły już 35,5% sprawności, lecz przed masową produkcją pozostają trzy duże wyzwania: wysoka sprawność na większej powierzchni, wieloletnia stabilność oraz powtarzalna produkcja.

Dlaczego sam krzem ma ograniczenia?

Większość paneli fotowoltaicznych wykorzystuje krzem monokrystaliczny. Współczesne technologie, takie jak TOPCon i HJT, pozwalają zwiększać sprawność, ale pojedyncze ogniwo krzemowe nie może efektywnie wykorzystać całego widma promieniowania słonecznego.

Jeżeli foton ma energię niższą niż przerwa energetyczna krzemu, nie wygeneruje prądu. Jeżeli natomiast ma energię znacznie wyższą, tylko część tej energii zostanie wykorzystana, a reszta zamieni się głównie w ciepło. Są to jedne z podstawowych strat w klasycznej fotowoltaice.

Teoretyczny limit Shockleya–Queissera dla pojedynczego ogniwa krzemowego wynosi około 29,4%. Nie jest to jednak granica dla całej fotowoltaiki. Dotyczy ogniwa z jednym złączem, a nie konstrukcji, które łączą kilka materiałów półprzewodnikowych.

W praktyce dostępne na rynku moduły krzemowe osiągają zwykle sprawność niższą niż rekordowe ogniwa laboratoryjne. Różnica wynika m.in. z większej powierzchni modułu, połączeń między ogniwami, szkła, folii ochronnych, ramek oraz konieczności utrzymania trwałości przez wiele lat.

Jak działa tandem perowskit–krzem?

Ogniwo tandemowe łączy dwa półprzewodniki o różnych właściwościach. Górna warstwa perowskitowa ma zazwyczaj większą przerwę energetyczną, najczęściej około 1,65–1,80 eV. Zbiera przede wszystkim fotony o wyższej energii, obejmujące światło niebieskie, zielone oraz część pozostałego zakresu widzialnego.

Pod nią znajduje się ogniwo krzemowe o przerwie energetycznej około 1,12 eV. Wykorzystuje ono fotony o niższej energii — przede wszystkim z czerwonej części widma i bliskiej podczerwieni — które przechodzą przez warstwę perowskitową.

Można to porównać do dwóch sit ustawionych jedno nad drugim. Pierwsze zatrzymuje większe „cząstki energii”, a drugie zbiera te mniejsze, które przeszły dalej. Dzięki temu mniej energii słonecznej jest tracone jako ciepło lub promieniowanie niewykorzystane przez ogniwo.

W idealnym tandemie dwuzłączowym perowskit–krzem teoretyczna sprawność może wynieść około 42–43%. Rzeczywiste urządzenia pozostają poniżej tego pułapu, ponieważ występują w nich straty optyczne, elektryczne i materiałowe.

Rekord 35,5%: co naprawdę oznacza?

W lipcu 2026 roku firma LONGi poinformowała o osiągnięciu 35,5% sprawności w krzemowo-perowskitowym ogniwie tandemowym. Wynik został certyfikowany przez European Solar Test Installation, czyli ESTI.

To bardzo ważny rekord naukowo-techniczny. Pokazuje, że tandem perowskit–krzem może przekroczyć możliwości pojedynczego ogniwa krzemowego. Nie oznacza jednak, że panele o sprawności 35,5% są już dostępne dla właścicieli domów albo inwestorów budujących farmy PV.

Rekord dotyczy pojedynczego ogniwa laboratoryjnego. Gotowy moduł musi działać na znacznie większej powierzchni, zachować wysoką sprawność po hermetyzacji i wytrzymać lata pracy na zewnątrz — w słońcu, deszczu, mrozie, upale oraz przy zmianach obciążenia elektrycznego.

Dlaczego do limitu wciąż daleko?

Najlepsze tandemy laboratoryjne przekroczyły 35% sprawności, ale do teoretycznej granicy około 42–43% nadal brakuje kilku punktów procentowych. W fotowoltaice to duża różnica, ponieważ każdy kolejny punkt sprawności wymaga ograniczenia wielu drobnych strat występujących jednocześnie.

• Rekombinacja niepromienista: część elektronów i dziur zanika w materiale albo na granicach między warstwami, zanim zostanie zebrana przez elektrody.
• Niedopasowanie prądowe: w tandemie dwuzaciskowym, czyli 2T, oba ogniwa są połączone szeregowo. Cały układ może oddać tylko tyle prądu, ile generuje słabsza z dwóch warstw.
• Straty optyczne: część światła odbija się od powierzchni albo zostaje pochłonięta przez warstwy, które nie produkują prądu, np. elektrody przezroczyste i warstwy transportujące ładunek.
• Opór elektryczny: elektrody, połączenia oraz warstwy przewodzące powodują spadki napięcia. Problem rośnie, gdy urządzenie jest większe.
• Nieidealne pasma materiałów: parametry warstwy perowskitowej i krzemowej muszą być bardzo dobrze dopasowane, aby obie części tandemu wykorzystywały światło możliwie równomiernie.

Trzy warunki komercjalizacji

Przejście od rekordowego ogniwa do panelu produkowanego na masową skalę wymaga rozwiązania trzech równoległych problemów: sprawności, stabilności i skalowalności. To właśnie na tych obszarach skupia się przegląd opublikowany w „Nature Photonics”.

Stabilność: największy test dla perowskitów

Perowskity są materiałami bardzo obiecującymi, ale wrażliwymi na warunki pracy. Mogą reagować na wilgoć, tlen, wysoką temperaturę, intensywne światło i promieniowanie UV. Dlatego gotowy moduł musi być skutecznie zabezpieczony przed dostępem wody i powietrza.

Współczesne moduły wykorzystują szkło, folie enkapsulacyjne, uszczelniacze i bariery ograniczające przenikanie wilgoci. Nie rozwiązuje to jednak wszystkich problemów. Dla trwałości ważne są także naprężenia cieplne, degradacja interfejsów między warstwami, zmiany chemiczne oraz migracja jonów wewnątrz perowskitu.

Migracja jonów może pogarszać działanie warstw kontaktowych, zwiększać rekombinację i obniżać napięcie obwodu otwartego V_oc. Nie oznacza to, że każdy moduł perowskitowy szybko przestanie działać, ale pokazuje, dlaczego wyniki z krótkiego testu laboratoryjnego nie wystarczają do potwierdzenia wieloletniej trwałości.

Norma IEC 61215 obejmuje testy kwalifikacyjne modułów fotowoltaicznych. Ich pozytywne przejście jest ważnym krokiem, lecz samo w sobie nie jest prostą gwarancją, że moduł zachowa parametry przez 25 lat w każdych warunkach klimatycznych.

Skalowanie produkcji to osobny problem

W laboratorium warstwy perowskitowe często nanoszone są na niewielkie powierzchnie metodami pozwalającymi precyzyjnie kontrolować każdy etap. W fabryce trzeba powtórzyć ten proces na setkach lub tysiącach metrów kwadratowych materiału, szybko, równomiernie i z małą liczbą wad.

Rozwijane są różne metody wytwarzania, m.in. powlekanie szczelinowe typu slot-die, naparowywanie termiczne oraz procesy hybrydowe. Każda z nich musi zapewnić odpowiednią jakość warstwy perowskitowej, dobre połączenie z ogniwem krzemowym i stabilne parametry gotowego modułu.

Dla przemysłu liczy się nie tylko rekord sprawności. Równie ważne są wydajność linii, zużycie materiałów, koszt urządzeń produkcyjnych, liczba odrzuconych modułów oraz możliwość zapewnienia powtarzalnej jakości w każdej partii.

Co wyższa sprawność może zmienić?

Jeżeli tandemy osiągną wysoką sprawność również jako trwałe moduły komercyjne, będą mogły dostarczać więcej mocy z tej samej powierzchni dachu albo gruntu. Może to ograniczyć część kosztów konstrukcji, przewodów, robocizny i zajęcia terenu przypadających na każdy wat mocy instalacji.

Wyższa sprawność szczególnie interesuje właścicieli małych dachów, hal przemysłowych i terenów o ograniczonej powierzchni. Nie oznacza to jednak automatycznie, że instalacja tandemowa będzie najtańsza. O jej opłacalności zadecyduje cena modułu, rzeczywisty uzysk energii, trwałość, gwarancja i koszty całego systemu.

W agrowoltaice wyższa moc z metra kwadratowego może zwiększyć swobodę projektowania instalacji. Rozstaw rzędów, wysokość konstrukcji i poziom zacienienia nadal trzeba jednak dopasować do rodzaju upraw, maszyn rolniczych oraz lokalnych warunków pogodowych.

Co to oznacza dla zwykłego inwestora?

Dzisiaj tandemy perowskit–krzem nie są jeszcze standardową opcją przy zakupie instalacji PV. Dla większości domów i małych firm najważniejsze pozostają sprawdzone moduły krzemowe, dobra jakość montażu, właściwie dobrany falownik oraz rozsądna analiza zużycia energii.

W przyszłości tandemy mogą mieć duże znaczenie tam, gdzie brakuje powierzchni. Jeżeli producenci potwierdzą ich trwałość i wprowadzą je do seryjnej produkcji w akceptowalnej cenie, mogą zwiększyć moc instalacji bez powiększania dachu lub zajmowanego terenu.

Na razie warto patrzeć na kolejne rekordy jako na sygnał szybkiego postępu technologicznego, a nie jako na zapowiedź natychmiastowej wymiany obecnych paneli. Najtrudniejsza część pracy nie polega już wyłącznie na podnoszeniu wyniku w laboratorium, ale na stworzeniu modułu, który będzie sprawny, trwały i opłacalny przez wiele lat.

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się ogniwo tandemowe od zwykłego ogniwa krzemowego?

Ogniwo tandemowe łączy co najmniej dwie warstwy półprzewodnikowe o różnych przerwach energetycznych. Warstwa perowskitowa wykorzystuje głównie fotony o wyższej energii, a krzem przetwarza niższą część widma, która przechodzi przez perowskit.

Czy rekord 35,5% oznacza, że takie panele można już kupić?

Nie. Jest to wynik certyfikowanego ogniwa laboratoryjnego, a nie masowo produkowanego panelu. Gotowy moduł musi dodatkowo utrzymać wysoką sprawność na większej powierzchni i wytrzymać wieloletnią pracę na zewnątrz.

Czy tandemy zastąpią panele krzemowe?

Nie wiadomo. Krzemowe moduły są dojrzałą, sprawdzoną i tanią technologią. Tandemy mogą stać się kolejną generacją paneli o wyższej sprawności, ale ich udział w rynku będzie zależał od trwałości, ceny i zdolności producentów do seryjnej produkcji.

Czy perowskity wytrzymają polskie warunki pogodowe?

To jedno z najważniejszych pytań przed szeroką komercjalizacją. Moduł musi chronić warstwę perowskitową przed wilgocią, wysoką temperaturą, promieniowaniem UV oraz cyklami zamarzania i rozmarzania. Obiecujące testy laboratoryjne są ważne, ale nie zastępują wieloletnich danych z pracy w terenie.

Kiedy moduły tandemowe będą dostępne na dużą skalę?

Nie ma jednej potwierdzonej daty. Firmy rozwijają technologie produkcji oraz linie pilotażowe, ale szerokie wdrożenie zależy od potwierdzenia trwałości, certyfikacji, uzysku produkcyjnego i kosztu gotowych modułów.

Materiały źródłowe

1. Nature Photonics: Towards efficient, scalable and stable perovskite/silicon tandem solar cells — artykuł przeglądowy dotyczący sprawności, stabilności i skalowalności tandemów perowskit–krzem.
2. pv magazine / ESTI: LONGi sets new world record with 35.5%-efficient perovskite-silicon tandem cell — informacja o certyfikowanym rekordzie 35,5% dla laboratoryjnego ogniwa tandemowego.
3. LONGi: LONGi breaks world record for crystalline silicon-perovskite tandem solar cell efficiency — komunikat producenta dotyczący rozwoju technologii tandemowej.

Tekst ma charakter informacyjno-edukacyjny. Rekordowa sprawność pojedynczego ogniwa laboratoryjnego nie jest równoznaczna ze sprawnością modułu handlowego, uzyskiem całej instalacji ani gwarancją szybkiej dostępności technologii na rynku.