Ogniwa fotowoltaiczne to technologia, która opanowuje świat. W porównaniu z innymi odnawialnymi źródłami energii fotowoltaika ma potencjał zdolny całkowicie pokryć zapotrzebowanie ludzkości na energię elektryczną. Pozyskiwania energii elektrycznej ze światła słonecznego odbywa się za pomocą paneli fotowoltaicznych, które wbrew obiegowym opiniom nie potrzebują idealnej pogody, a które z powodzeniem gromadzą energię nawet w pochmurne dni.
Zjawisko fotowoltaiczne polega na tym, że w wyniku oświetlenia w obwodzie zewnętrznym pojawia się napięcie elektryczne. Następuje więc bezpośrednia konwersja energii słonecznej w energię elektryczną. Panele zamieniają światło słoneczne w prąd elektryczny, który może być wykorzystany do zasilania budynku, na którym zainstalowane są panele, lub który można sprzedać zakładowi energetycznemu. Możliwe jest także wykorzystanie energii dla własnych potrzeb z jednoczesnym odsprzedaniem nadwyżek energii do sieci energetycznej. Systemy solarne umieszczone na dachach lub elewacjach konwertują darmową energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną (panele fotowoltaiczne) lub energię cieplną (kolektory słoneczne). Integralnym elementem większości tych urządzeń jest szkło, które pełni funkcje osłonowe, a jednocześnie może zwiększać wydajność urządzeń systemów solarnych.
Na rys. 1 przedstawiono schemat budowy i działania ogniwa fotowoltaicznego.
Rys. 1. Budowa i zasada działania ogniwa fotowoltaicznego
Dotychczas wykorzystywane materiały do produkcji ogniw fotowoltaicznych są typu nieorganicznego, a należą do nich np. german, krzem, arsenek galu (GaAs), krzem amorficzny i jego stopy, tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CiS). Wydajność komercyjnych ogniw zbudowanych z tych materiałów nie przekracza 12%, jednak największą ich wadą jest zbyt wysoki koszt w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii elektrycznej.
Szkłem zoptymalizowanym do użycia w cienkowarstwowych technologiach fotowoltaicznych jest grupa produktów obejmująca szyby z przewodzącymi prąd powłokami TCO (ang. Transparent Conductive Oxide – transparentne tlenki przewodzące). Takie szkło zapewnia wysoką przepuszczalność światła, optymalne właściwości przewodzenia prądu oraz stosunkowo niski poziom zamglenia.
Panele fotowoltaiczne oparte na krystalicznym krzemie przetwarzają energię słoneczną na prąd elektryczny. Szkło o wysokiej przepuszczalności energii słonecznej zapewnia wydajne działanie paneli, stanowiąc jednocześnie osłonę ogniw fotowoltaicznych przed czynnikami zewnętrznymi. Szkło walcowane o obniżonej zawartości żelaza charakteryzuje się bardzo wysoką przepuszczalnością energii słonecznej. Wzór wytłaczany na szkle w procesie walcowania pozwala zminimalizować poziom odbicia światła słonecznego oraz ułatwia proces laminowania podczas produkcji panelu. Najnowsze technologie pozwalają także na wykonanie powłoki antyrefleksyjnej na szkle hartowanym lub niehartowanym.
Rys. 2. Odzież przyszłości (wg Z. Szamel)
W laboratoriach jest już jednak inna technologia, która może w przyszłości wręcz zrewolucjonizować życie na ziemi. W Europie i na świecie opracowywane są liczne projekty dotyczące strategii rozwoju fotowoltaiki, gdzie podstawowym celem jest wzrost wydajności ogniw fotowoltaicznych oraz spadek cen ich produkcji, instalacji i eksploatacji. Także Japończycy opracowali własne plany rozwoju fotowoltaiki, które ukazują perspektywy rozwoju fotowoltaiki w ujęciu światowym. W planach tych jedną z podstawowych dróg rozwoju jest poprawa wydajności, zmniejszenie kosztów produkcji i instalowania ogniw nieorganicznych oraz masowe wdrażanie do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych nowych materiałów – przede wszystkim materiałów organicznych.
Rodzaje wykorzystywanych materiałów organicznych to polimery, digomery, dendrometry, barwniki pigmentowe, ciekłe kryształy. Zasada działania organicznych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na procesach powodowanych przez ekscytony, które wytwarza światło w materiałach molekularnych. Zwykle światło generuje ekscytony typu Frenkla, rzadziej ekscytony charge-transfer (CT) [1, 2]. Wytworzone przez światło ekscytony dyfundują wewnątrz materiału molekularnego i mogą dysocjować na dwa rodzaje nośników ładunku: na elektrodach lub na złączach materiałów. Po wytworzeniu dwóch rodzajów nośników ładunków kolejne procesy powinny doprowadzić do ich rozdziału tak, aby powstał prąd w obwodzie zewnętrznym. Im efektywniejszy jest rozdział wytworzonych przez ekscytony nośników ładunku, tym wydajniejsze jest przetwarzanie energii optycznej w ogniwie fotowoltaicznym.
(...)
Materiały organiczne stanowią ważną perspektywę dla masowej produkcji ogniw fotowoltaicznych ze względu na niski koszt wytwarzania i instalacji oraz wiele nowych cennych zalet wytwarzanych z tych materiałów ogniw, takich jak elastyczność, giętkość i lekkość, co otwiera nowe możliwości praktycznych zastosowań ogniw fotowoltaicznych. Ogniwa fotowoltaiczne dziś jeszcze mają znacznie niższą efektywność i żywotność niż ogniwa nieorganiczne, jednak szybki rozwój tej technologii z pewnością pozwoli te parametry poprawić.
Technologia organicznych ogniw ma kilka kluczowych zalet:
- przewiduje się, że produkcja ogniw z materiałów organicznych będzie dużo tańsza, niż z nieorganicznych, co pozwoli na jeszcze większy wzrost tego rynku
- elastyczność, niska waga i niewielkie rozmiary, które pozwolą na produkcję prądu w miejscach, w których obecnie jest to niemożliwe. Mogą to być np. ubrania a w szczególności odzież sportowa. Technologia ta jest dopiero na początku ścieżki rozwoju i minie kilkanaście lat zanim stanie się ona powszechna, jednak wizja ładowania baterii do telefonu komórkowego podczas spaceru wydaje się być obiecująca.
Rys. 3. Zdjęcia paneli fotowoltaicznych (Chiny)
Na rys. 2 przedstawiono zdjęcie „inteligentnej” tkaniny.
Coraz więcej laboratoriów i koncernów pracuje nad przygotowaniem i wdrożeniem do masowej produkcji organicznych ogniw fotowoltaicznych.
Obecnie konkurują ze sobą trzy kombinacje materiałowe w ogniwach nanofotowoltaicznych:
- pierwsza to bardzo cienkie powłoki, będące przewodnikami elektryczności w postaci łańcuchów cząstek polimerowych, które zamieniają światło w elektryczność. Cząsteczki węgla, znane jako fulereny, przesyłają ładunki elektryczne do elektrod ogniw, skąd odbierana jest energia elektryczna;
- druga metoda wykorzystuje cząsteczki barwnika na bazie rutenu, który to związek chemiczny przemienia promieniowanie słoneczne w elektryczność, działanie tego układu przypomina rolę chlorofilu w liściach roślin w ramach fotosyntezy dwutlenku węgla z wodą do biomasy oraz tlenu;
- trzeci typ kombinacji materiałowej dla ogniw nanofotowoltaicznych wykorzystuje nanokrystality z miedzi, indenu, galu oraz selenu. Nie wolno tej techniki utożsamiać z tzw. technologią cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych. Metale te są nanoszone na szklany nośnik w postaci oparów w bardzo wysokiej temperaturze. Następnie zostają rozpuszczone w odpowiednich cieczach i jako roztwór nanoszone na taśmy metodą nadruku.
Rozstrzygającą korzyścią stosowania powyższych kombinacji materiałowych w ogniwach fotowoltaicznych w porównaniu z układami krzemowymi jest fakt, że te pierwsze nanosi się na folie w postaci powłok o grubości pojedynczych μm, jak w drukarniach gazet, a tymczasem płytki krzemowe bywają o grubości około 200 μm i tu tkwią główne przyczyny różnicy kosztów wytwarzania obu typów ogniw fotowoltaicznych.
Naukowcy z Uniwersytetu w Buffalo pracują nad nową generacją ogniw fotowoltaicznych. Mają one w założeniu produkować więcej energii a koszt ich wytwarzania ma być niższy niż dotychczas. Obecnie energia słoneczna jest produkowana z cienkich polikrystalicznych wafli krzemowych lub cienkowarstwowych ogniw zbudowanych z materiałów nieorganicznych jak amorficzny krzem lub tellurek kadmu. Niestety, obydwa są drogie w produkcji. Nowe, bardzo obiecujące badania są prowadzone na organicznych plazmonicznych materiałach fotowoltaicznych.
Rys. 4. Panele fotowoltaiczne zainstalowane w Nowym Jorku (zdjęcie dzięki uprzejmości EERE)
Nawiązując do raportu uniwersyteckiego, takie urządzenia są tańsze i wytwarzane w postaci płynnej, dzięki czemu mogą znaleźć zastosowanie na wielu rodzajach powierzchni. W porównaniu z ogniwami nieorganicznymi, organiczne fotoogniwa, mogą być wykonane na dużych obszarach, na sztywnych lub elastycznych podłożach, stając się tanie jak farby. Nawiązanie do malowania nie odnosi się tylko do ceny ale raczej do idei ogniw fotowoltaicznych, które w ciągu jednego dnia będą mogły być zastosowane na dużej powierzchni w sposób prosty, jak malowanie ściany. Istnieją również wady organicznych ogniw fotowoltaicznych.
Muszą być one cienkie z powodu stosunkowo słabych właściwości przewodności prądu elektrycznego. Ponieważ są cienkie, tym samym ogranicza to ich absorpcję i prowadzi do słabej wydajności konwersji energii. Ich wydajność musi być ok. 10% aby stały się konkurencyjne na rynku. Naukowcy wykorzystują nanocząsteczki metali lub/i szablony struktur plazmonicznych stosując je w ogniwach organicznych. Plazmony są falami elektromagnetycznymi wolnymi od elektronów, które mogą być zastosowane do wywołania oscylacji na powierzchni metali i półprzewodników.
Naukowcy z Uniwersytetu Rice w Teksasie i Uniwersytetu Pensylwanii poinformowali, iż wynaleźli nowy rodzaj ogniwa solarnego opartego na kopolimerach blokowych. Być może także tym torem podąży fotowoltaika organiczna.
Aż dziesięć wiodących uniwersytetów, instytucji badawczych i firm z różnych dziedzin jest zaangażowanych w projekt „Development of New Materials and Device Structures for Competitive Mass Production Methods and Applications of Organic Photovoltaics” (POPUP). Jest to nowy program finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji I Badań Naukowych (BMBF), które ma na celu opracowanie bardziej wydajnych materiałów i nowych tekstur dla organicznych modułów fotowoltaicznych. Na rys. 3 i rys. 4 przedstawiono zdjęcia zaimplementowanych paneli fotowoltaicznych.
1 Hoppe H., Sariciftci N.S.: Organic solar cells: An overview. “J. Mater. Res.” 19/2004.
2 Godlewski J.: Currents and photocurrents in organic materials determined by the interface phenomena. “Advances in Colloid and Interface Science” 116/2005.
dr inż. Magdalena Osiadły
Literatura:
http://www.pvportal.pl/nowosci/615/organiczne-ogniwasloneczne-przyszloscia-fotowoltaiki
http://materialyinzynierskie.pl/rekord-w-ruchliwoscielektronow-organicznych-tranzystorow/
Całość artykułu w wydaniu drukowanym I elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacj: Świat Szkła 04/2014
