To już trzeci artykuł w cyklu poświęconym tematowi przekształcenia energii słonecznej w energię elektryczną. Przyjrzymy się w nim kolejnym materiałom i sposobom (u)chwycenia energii słonecznej.

Energia słoneczna, która dociera do powierzchni Ziemi po przejściu przez atmosferę ziemską, składa się z trzech części - energii promieniowania bezpośredniego, energii promieniowania rozproszonego, energii promieniowania odbitego. Ocenia się, że do powierzchni Ziemi dociera około 45-50% mocy energii emitowanej przez Słońce. Najbardziej nasłonecznionym obszarem kuli ziemskiej jest pas okołorównikowy pomiędzy 30° szerokości geograficznej północnej, a 30° szerokości południowej. Ponieważ kąt pochylenia osi ziemskiej w porze zimowej jest inny, aniżeli latem, stąd na tym samym obszarze Słońce dostarcza około 20% mniej energii zimą w stosunku do lata. Powyższe oznacza, że moc „dostarczona” do Ziemi nie rozkłada się równomiernie na obszarze całego globu. W Polsce, rocznie, suma energii słonecznej przypadającej na powierzchnię 1 m2 waha się w granicach 950-1250 kWh.

Większość działań na rzecz ulepszania paneli słonecznych skupia się głównie wokół zwiększania wydajności konwersji energii słonecznej w prąd elektryczny oraz na obniżaniu kosztów ich produkcji. Jest jednak część naukowców, którzy z kolei postawili sobie za cel wytworzenie najcieńszych i najlżejszych paneli słonecznych, jakie są tylko możliwe. Mają to być panele, których potencjał przewyższy jakiekolwiek substancje pod względem produkcji energii elektrycznej na kilogram materiału. Do tego celu zostaną wykorzystane piętrowo ułożone arkusze materiałów o grubości jednego atomu, takich jak grafen czy dwusiarczek molibdenu. Chociaż naukowcy w ostatnich latach poświęcili wiele uwagi tematowi potencjału energetycznego materiałów dwuwymiarowych, to niewiele tej energii naukowcy zużyli na badania na temat zastosowań ich w panelach słonecznych. Badania wykazały, że materiały te nie tylko nadają się do zastosowań w energetyce solarnej, ale również mogą być poważnym konkurentem dla krzemu. Póki co, zespół badaczy przewiduje, że przy użyciu dwóch warstw materiałów o grubości jednego atomu uzyska wydajność przetwarzania energii słonecznej w prąd elektryczny na poziomie od 1-2%. To w porównaniu do standardowych krzemowych ogniw słonecznych jest wynikiem bardzo słabym, jednak efekt ten jest osiągnięty za pomocą materiału tysiąc razy cieńszego. Takie dwuwarstwowe ogniwo słoneczne posiada grubość zaledwie 1 nm. Piętrowe układanie kilku dwuwymiarowych warstw może znacznie zwiększyć wydajność konwersji energii na prąd, jednocześnie zachowując wymiary w skali nanometrów. Cieńsze ogniwo słoneczne to niższe koszty transportu, redukcja kosztów konstrukcji wsporczych oraz łatwość montażu. Ponadto sam materiał jest mniej kosztowny niż wysoce czysty krzem używany w standardowych panelach słonecznych. Ponieważ arkusze są rozmiarów nanometrów, do ich budowy wymaga się niewielkiej ilości surowca. Oczekuje się, że elastyczność oraz wytrzymałość mechaniczna ogniw z grafenu i dwusiarczku molibdenu pozwoli w przyszłości na formowanie skomplikowanych kształtów paneli. Do zalet tego rodzaju materiałów należy zaliczyć ich długotrwałą stabilność na otwartym powietrzu, w świetle UV, czy też przy znacznej wilgotności – bez konieczności stosowania ochronnych warstw szklanych.

Energię promieniowania słonecznego wewnątrz atmosfery możemy podzielić na trzy zakresy: promieniowanie ultrafioletowe o długości fali λ < 0,4 μm zawierające 9% energii, promieniowanie widzialne o długości fali 0,4 μm ≤ λ ≤ 0,75 μm, które zawieraja około 44% energii oraz promieniowanie podczerwone o długości fali λ > 0,75 μm, które zawiera największą część energii – około 47%.

Dlatego, w celu uzyskania jak największej sprawności, modyfikowane są konwencjonalne panele słoneczne, które wykorzystują fale o długościach dotychczas niezagospodarowanych. Mowa tu o ogniwach hybrydowych, które przekształcają światło słoneczne na ciepło (promieniowanie podczerwone) później absorbowane przez komórki do wytwarzania energii elektrycznej.

W konwencjonalnych panelach słonecznych absorbowana jest tylko część widma promieniowania, o odpowiedniej długości fali (decyduje o tym przerwa energetyczna materiału absorbującego). Aby powstał prąd, do ogniwa muszą docierać fotony o energii potrzebnej do pokonania pasma wzbronionego. W przypadku fali o wyższej energii jest ona marnowana w postaci ciepła, natomiast fale o niższej energii przenikają przez panel. Urządzenia na bazie półprzewodnikowego krzemu reagują w większości na część widma światła widzialnego oraz na promieniowanie podczerwone. Zastosowanie komórek termofotowoltaicznych (TPV) może teoretycznie pozwolić na osiągnięcie wyższej sprawności półprzewodnikowych ogniw i pokonać tzw. limit Shockleya-Queissera, który wynosi 33,7% dla ogniw jednowarstwowych. Uzyskanie lepszego wyniku jest możliwe dzięki wykorzystaniu fal o długościach do tej pory odrzucanych. Badacze opracowali termofotowoltaiczne urządzenie składające się z absorbera nagrzewanego przez promieniowanie słoneczne oraz emitera przekształcającego zgromadzone ciepło na promieniowanie podczerwone, odbierane przez komórki ogniwa słonecznego. Konstrukcja dwuwarstwowego materiału absorber-emiter była kluczem do wykorzystania szerszego spektrum promieniowania. Absorber zbudowany został z wielościennych nanorurek węglowych, a selektywny emiter z jednowymiarowych kryształów fotonicznych Si/SiO2. Warstwy o grubości nieprzekraczającej 550 mikrometrów zostały naniesione na fotowoltaiczną, półprzewodnikową komórkę o przerwie energetycznej na poziomie 0,55 eV i wymiarach 1×1 cm. Podczas ekspozycji na strumień promieniowania o wartości 75 W/cm2 nanorurki węglowe nagrzewały się do temperatury 962°C i przekazywały energię cieplną fotonicznym kryształom. Następnie, jednowymiarowe struktury emitowały niewidzialne fale podczerwone o długości dostosowanej do pasma wzbronionego ogniwa fotowoltaicznego, wzbudzające elektrony walencyjne w półprzewodniku. Jak sugerują badacze, w przyszłości udoskonalone ogniwa TPV mogłyby konwertować energię nawet z 80% skutecznością. Póki co, powyższe technologie, choć bardzo obiecujące i rozwojowe, wciąż nie wyszły jeszcze spoza murów laboratoriów naukowych – niestety.

Krzem jednak się nie poddaje i udowadnia (nie w laboratorium…), że z powodzeniem może być stosowany również i na powierzchniach elastycznych. Innowacyjne ogniwa słoneczne, wykorzystujące jako materiał bazowy krzem, powstały w Japonii. Nowość polega na stworzeniu układu stanowiącego multikrystaliczną kulkę krzemową (o średnicy 1 mm) umieszczoną w ognisku sześciokątnego odbłyśnika koncentrującego światło. Ogniwa fotowoltaiczne tego typu osiągają sprawności zbliżone do obecnie stosowanych multikrystalicznych krzemowych przyrządów fotowoltaicznych, przy niższych kosztach produkcji. Podłoże jest tu wykonane z cienkiej blachy aluminiowej, która stanowi tylny kontakt. Krzemowa kuleczka wraz z reflektorem ma średnicę niespełna 3 mm, co w połączeniu z cienką blachą umożliwia wyginanie ogniwa bez obawy o złamanie lub uszkodzenie. Połączone ze sobą minireflektory pokrywają powierzchnię panelu, tworząc strukturę podobną do plastra miodu.

A wracając do modułów fotowoltaicznych bezpośrednio wbudowywanych w budynek, to czy szyby montowane w domach mogą generować energię elektryczną, tak jak panele fotowoltaiczne? Okazuje się to całkiem realne. Otóż badania naukowców przyniosły efekt w postaci nowej generacji kropek kwantowych osadzonych w matrycy przezroczystego polimeru. To właśnie dzięki nim, przezroczysta szyba ma działać jak panel fotowoltaiczny i konwertować przechwyconą energię słoneczną na elektryczną. Kropki kwantowe to półprzewodnikowe układy, w których wiązane są nośniki ładunków (elektrony i dziury). Sztuczne twory ograniczone są w trzech wymiarach barierami potencjału, co oznacza kwantyzację w każdym z poszczególnych kierunków. Kropki kwantowe uzyskuje się przez utworzenie odpowiedniej struktury na podłożu za pomocą litografii (trawienia), metod epitaksjalnego wzrostu kryształów lub też na drodze syntezy wewnątrzmicelarnej (roztwory koloidalne). Podobnie jak atom, pojedyncza kropka kwantowa posiada poziomy energetyczne będące odpowiednikiem poziomów atomowych. Analogicznie wygląda sytuacja w przypadku pobudzania światłem do wyższych stanów energetycznych - wówczas obserwujemy emisję promieniowania, towarzyszącą powrotom do stanów o mniejszych energiach. Na bazie kropek kwantowych zbudowanych jest wiele urządzeń, w tym tranzystory, diody elektroluminescencyjne, lasery, znaczniki medyczne, nośniki leków, ogniwa barwnikowe DSSC. Zaprojektowano i wykonano już tzw. luminescencyjny koncentrator energii promieniowania słonecznego (LSC). Taki koncentrator wychwytuje promieniowanie słoneczne niezależnie od kąta nachylenia. Aparatura w formie płyty lub folii polimerowej zawiera centra luminescencyjne, dzięki którym padające promieniowanie słoneczne jest absorbowane. Polimerowa matryca koncentratora pracuje jak światłowód. Ograniczają ją krawędzie, gdzie umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Zaabsorbowane przez centra (kropki) promieniowanie przesyłane jest do krawędzi koncentratora, a tam ulega ono konwersji na energię elektryczną. Centra działają jak zbiór pochłaniających światło anten, które skupiają promieniowanie słoneczne zebrane z dużego obszaru na znacznie mniejszą powierzchnię ogniw PV umieszczonych po bokach. Przekłada się to na znaczne zwiększenie intensyfikacji produkcji energii. Kropki kwantowe zbudowane są ze struktur selenku kadmu i siarczku kadmu (CdSe/CdS). Absorpcja światła odbywa się przez powłokę z CdS, a emisja następuje dzięki wnętrzu z CdSe. Rozdzielenie funkcji absorpcji i emisji światła, między dwoma elementami nanocentrum luminescencyjnego, znacznie zmniejsza straty podczas ponownego wchłaniania promieniowania. Tak działające kropki kwantowe umieszczono w przezroczystej polimerowej płycie z polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach odpowiadających standardowym szybom. Pomiary spektroskopowe nie wykazały praktycznie żadnych strat podczas przesyłu promieniowania na odległości kilkudziesięciu centymetrów. Ponadto, badania z zastosowaniem symulowanego promieniowania słonecznego dowiodły, że urządzenie posiada wydajność pochłaniania fotonów na poziomie około 10%. Co do tej pory było nieosiągalne to to, że płyta z kropkami kwantowymi jest dla oka ludzkiego przezroczysta, jak tradycyjna szyba.

 

 

Okazuje się, że poprawę efektywności paneli fotowoltaicznych można uzyskać nie tylko poprzez zastosowanie nowych materiałów, ale i poprzez odpowiednie łączenie ogniw. Tradycyjnie ogniwa łączy się w temperaturze dochodzącej do 800°C w procesie „sieciowania” siatką linii lutowniczych z wykorzystaniem srebra. Następnie takie ogniwa o grubości około 140 mikronów łączone są w moduły w temperaturze bliskiej 230°C za pomocą wstążek lutowniczych srebra (tzw. technologia „bus bar”). Wydajność modułu w praktyce nie jest w 100% wprost proporcjonalna do wydajności ogniw połączonych szeregowo w matrycę elektryczną. Straty konwersji ogniw w module produkowanym w tradycyjnej technologii „bus bar” są na poziomie 3-5%. Gęstość siatki połączeń, która odpowiada za transport elektronów w ogniwie, nie jest wystarczająca dla nowej generacji bardzo wydajnych ogniw, jak np. monokrystaliczne z bardzo cienką powłoką z krzemu amorficznego, czy ogniwa różnozłączowe. Dla zlikwidowania powstających strat tradycyjną technologię „bus bar” zastąpiono matrycą fotoelektryczną o nowej architekturze (Smart Wire™). Wykorzystanie technologii Smart Wire™ zapewnia, że wydajność modułu jest w 100% wprost proporcjonalna do sumarycznej wydajności pojedynczych ogniw. Jest to związane przede wszystkim z wysoką odpornością na mikrouszkodzenia, niższą rezystancją elektryczną i wyższą absorpcją światła przez matrycę, co niweluje inne straty związane z konwersją ogniw w moduł. Dodatkowo, gęstość siatki połączeń, która odpowiada za transport elektronów w ogniwie, jest na poziomie 2.000 punktów w pojedynczym ogniwie. Jest to wynik 12-krotnie lepszy niż w przypadku stosowania technologii „bus bar”. Rezultatem jest wzrost efektywności i żywotności instalacji fotowoltaicznych.


Podsumowując cykl artykułów – wiemy, jakie wymagania powinny spełnić materiały przeznaczone do budowy ogniw. Są to: możliwie największy współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego, szerokość przerwy wzbronionej między 1,1 a 1,7 eV, prosta struktura przejść optycznych, mały współczynnik rekombinacji, wysoka wydajność przetwarzania fotowoltaicznego, mała masa właściwa, duża wytrzymałość mechaniczna, dobre przewodnictwo cieplne, stabilność termiczna i mała wrażliwość na promieniowanie jonizacyjne, tania, nieskomplikowana, powtarzalna i wydajna technologia produkcji. Póki co wiemy, że nie ma materiału, który spełniałby wszystkie powyższe wymagania, a krystaliczny krzem pomimo skośnej struktury przejść optycznych jest obecnie stosowany w około 90% ogniw słonecznych.