Rozwój technologii produkcji ogniw słonecznych

0

Ostatnie sondaże wskazują, iż Amerykanie coraz przychylniej patrzą na rozwój w dziedzinie technologii ogniw słonecznych. Tymczasem naukowcy dokonują przełomowych badań na tym polu.

Intensywny rozwój technologii paneli słonecznych miał miejsce od lat 70. ubiegłego wieku. Proces ten uległ spowolnieniu w momencie osiągnięcia sprawności przetwarzania energii na poziomie 14 procent. Spore zainteresowanie tą technologią w Stanach Zjednoczonych z początku spowodowane było udzielanymi wtedy dopłatami rządowymi. Jednak w wyniku cięć budżetowych zainteresowanie w pewnym momencie diametralnie zmalało. Główny czynnik wpływający na końcową cenę paneli słonecznych to przede wszystkim produkcja oraz ich instalacja.

Obecnie zakłada się jednak, że koszty produkcji, instalacji oraz wykorzystania paneli słonecznych mogą ulec zmniejszeniu. Wpływ na to mają badacze tacy jak Qiaoqiang Gan z Uniwersytetu Bufallo, którzy przyczyniają się do rozwoju nowej generacji ogniw fotowoltaicznych. Domeną tych paneli będzie produkcja większej ilości energii elektrycznej przy mniejszych kosztach produkcji.

Jedną z bardziej obiecujących inicjatyw Gana jest jego praca nad wykorzystaniem plazmonowo wzmocnionych, organicznych ogniwach fotowoltaicznych. Materiał ten nie odpowiada tradycyjnym ogniwom słonecznym w sensie produkcji energii elektrycznej, jednak jest on tańszy w wytworzeniu. Dzieje się tak z uwagi na ciekłą formę materiału, pozwalającą na aplikację na bardziej zróżnicowanych powierzchniach.

Obecnie ogniwa paneli fotowoltaicznych produkowane są z cienkich, polikrystalicznych “wafli” krzemowych albo tak zwanego TFSC (Thin Film Solar Cell), który wytworzany jest z nieorganicznych materiałów, takich jak krzem amorficzny lub tellurku kadmu. Oba materiały są kosztowne w produkcji. Gan skupia się na badaniu TFSC, jednak do ich produkcji używa tańszych, organicznych materiałów, takich jak polimery i małe cząsteczki na bazie węgla.

Gan twierdzi, że zademonstrowany przez niego sposób w porównaniu z nieorganicznym „konkurentem” umożliwia produkcję ogniw fotowoltaicznych na o wiele większej powierzchni, przy kosztach porównywalnych do farby do malowania. Oczywiście na początku obowiązywać będzie raczej porównanie do łatwości aplikacji takich paneli słonecznych (niczym pokrycie ściany farbą), a później istotnie dojdzie do dużego spadku cen ogniw.

Niestety każda technologia ma też swoje słabe strony. W przypadku organicznych fotoogniw, z uwagi na względnie słabe właściwości przewodzące, produkowane materiały muszą być bardzo cienkie. Z kolei z tą cechą wiąże się mała zdolność do pochłaniania świata i w związku z tym efektywność przetwarzania energii jest na niskim poziomie. Badacze przewidują, iż sprawność przetwarzania energii musi wynosić ponad 10%, aby ogniwa były konkurencyjne na rynku.

By osiągnąć ten cel Gan wraz z kilkoma innymi badaczami pracuje nad osadzaniem metalowych nanocząsteczek oraz/lub plazmonowymi nanostrukturami wewnątrz organicznych fotoogniw. Plazmony to elektromagnetyczne fale i wolne elektrony, które mogą być wykorzystane poprzez oscylację na powierzchni metali i półprzewodników. W wyniku oddziaływań z fotonami tworzona jest inna kwazicząstka, nazywana polarytonem.

Te ostatnie wyniki badań sugerują, że rozwój ogniw słonecznych postępuje w dobrym kierunku. Kolejne wysiłki powinny w dalszym stopniu skupiać się na sposobie, w jaki nanomateriały oraz plazmonowe strategie mogą wpłynąć na produkcję jeszcze bardziej efektywnych i łatwych w produkcji organicznych komórek fotowoltaicznych.

(UB)

{module[346]}

Intensywny rozwój technologii paneli słonecznych miał miejsce od lat 70-tych ubiegłego wieku. Proces ten uległ spowolnieniu w momencie osiągnięcia sprawności przetwarzania energii na poziomie 14 procent. Spore zainteresowanie tą technologią w Stanach Zjednoczonych z początku spowodowane było udzielanymi wtedy dopłatami rządowymi. Jednak w wyniku cięć budżetowych zainteresowanie w pewnym momencie diametralnie zmalało. Główny czynnik wpływający na końcową cenę paneli słonecznych to przede wszystkim produkcja oraz ich instalacja.

Obecnie cena wykorzystania paneli słonecznych może ulec zmniejszeniu dzięki badaniom prowadzonych przez Qiaoqiang Gan z Uniwersytetu Bufallo(ang. University at Buffalo), który projektuje nowej generacji ogniwa słoneczne, które będą produkować więcej energii elektrycznej przy mniejszych kosztach produkcji.

Dodatkowo, co się wydaje nawet o wiele bardziej obiecujące są prace Gana matemateriałem używanych w fotoogniwach. Metamateriał jest materiałem, którego własności zależą od jego struktury w skali większej niż cząsteczkowa, a nie jedynie od struktury cząsteczkowej. Terminem tym w szczególności określa się materiały o własnościach niewystępujących w naturalnie powstających materiałach, na przykład tzw. materiały lewoskrętne. Mają one szczególne znaczenie w optyce i fotonice, gdzie ich własności umożliwiają wytwarzanie nieklasycznych typów soczewek, anten, modulatorów i filtrów. Materiał ten nie odpowiada w „tradycyjnym” sposobnie produkowania energii elektrycznej przez ogniwa słoneczne, ponieważ z powodu swojej konsystencji pozwolą do wykorzystania większej powierzchni na pochłanianiu promieniowania słonecznego.

Prace nad organicznie ulepszonymi plazmowo materiałami zostały opublikowane w gazecie naukowej „Advanced Materials”. Współautorami są m.in. Filbert J. Bartoli; profesor elektroniki i informatyki z uniwersytetu Lehigh oraz Zakya Kafafi z National Science Foudnation.

Obecnie panele słoneczne są produkowane albo z cienkich krzemów polikrystalicznych lub z TFSC(ang. thin-film solar cell) zrobionych z nieorganicznych materiałów, takich jak krzem amorficzny lub tellurku kadmu. Oba materiały są kosztowne w produkcji stwierdza Gain. On sam skupia się na badaniu TFSC, nie mniej jednak do ich produkcji używać będzie organicznych materiałów takich, jak polimery i małych cząsteczek na bazie węglowych, które są znacznie tańsze.

Gan twierdzi, że jego wynalazek w porównaniu nie organicznym „konkurentem” może być wykorzystany na o wiele większej powierzchni, przy czym będzie bardziej podatny na formowanie. Dodatkowo sposób instalacji będzie prosty jak malowanie, która ma ukazać porównanie, jak łatwo i tanio będzie można wykorzystać w je praktyce.

Mimo, że projekt wydaje się bardzo obiecująco, dalej pozostaje jeszcze dużo do życzenia, a mianowicie słabe właściwości oporowych materiału. Dodatkowo ich grubość nie pozwala na efektywne absorbowania światła, co przekłada się na końcową sprawność. Taki produkt może wyjść jedynie na rynek przy sprawności minimalnie 10 %.

By osiągnąć ten cel Gan wraz z kilkoma innymi badaczami zaczęli badania nad nanocząsteczkami metali, które z użyciem organicznych nanostruktur plazmonu chcą wykorzystać w ogniwach słonecznych. Plazmon jest elektromagnetyczną falą, w której wolne elektrony mogą być użyte do oscylacji całego przekroju metali i półprzewodników dodatkowo mają możliwość oddziaływać z fotonami tworząc inną kwazicząstkę zwaną polarytonem.

Ostatnie wyniki badań sugerują, że sukces zostanie odniesiony twierdzi Gan. Mimo pierwszych pozytywnych wyników dochodzi do wewnętrznych sporów pomiędzy współautorami publikacji z „Advanced Materials”, na temat tego, w, którym kierunku badania naukowe powinny się skupić najbardziej. W ostatecznym rachunku jeszcze daleka droga, przed naukowcami do wykorzystania ich w praktyce dla celów komercyjnych, jednak dla przyszłych lotów kosmicznych może to spowodować ograniczenia powierzchni wykorzystywanej przez panele słoneczne, nie mniej jednak sprawność końcowa może być dalej problemem. 

Share.

Comments are closed.