Jak najwięcej wycisnąć ze Słońca
Fotowoltaika jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin technologicznych ostatnich lat. Co więcej, nie jest to już tylko technologia rozwijana w zaciszu laboratoriów naukowych, lecz prężna branża solarna upowszechniająca coraz to nowe rozwiązania. Jednak, choć panele najnowszej generacji konwertują już ponad 21% pochłoniętego promieniowania słonecznego na energię elektryczną, wciąż są to urządzenia niezwykle mało efektywne i stosunkowo drogie. Zwiększenie wydajności baterii słonecznych przy jednoczesnym zmniejszeniu ich ceny to wyzwanie, przed którym stoją obecnie badacze z największych i najlepszych laboratoriów świata. Już niedługo technologia ta będzie również rozwijana w jednym z najnowocześniejszych ośrodków badawczych w Europie – warszawskim Centrum Zaawansowanych Technologii i Materiałów (CEZAMAT).
Energia ze Słońca
Słońce to niewyczerpalne źródło energii. Dzięki wykorzystaniu modułów fotowoltaicznych można z niego korzystać niemal bez ograniczeń. Ogniwa fotowoltaiczne absorbują promieniowanie słoneczne, a w efekcie generowana jest energia elektryczna. Zasada ich działania opiera się na wybijaniu elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa w półprzewodniku pod wpływem promieniowania o określonej długości fal. Jeżeli foton promieniowania słonecznego ma wystarczająco dużą energię, generuje swobodny elektron. W ten sposób, pod wpływem działania światła, płytka krzemowa, z której zbudowana jest komórka fotowoltaiczna staje się generatorem prądu elektrycznego.
Lata świetlne – czyli krótka historia fotowoltaiki
Otrzymywanie energii elektrycznej ze światła słonecznego jest stosunkowo młodą dziedziną nauki. Pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował francuski fizyk Antoni Cezar Becquerel w 1839 roku
w obwodzie dwóch oświetlonych elektrod (chlorkowo-srebrowych) zanurzonych w elektrolicie. Jednak droga do opracowania metody umożliwiającej wykorzystanie tej reakcji w codziennym życiu była jeszcze długa. Duży wkład w rozwój fotowoltaiki miał polski uczony Jan Czochralski, który opracował na początku XX wieku metodę umożliwiającą wytwarzanie bardzo dużych kryształów krzemu o wysokiej czystości. Jednak to dopiero w 1954 roku w Bell Laboratories
w Stanach Zjednoczonych powstało pierwsze ogniwo fotowoltaiczne. Wówczas osiągało ono sprawność na poziomie zaledwie 6%. Krzemowe ogniwa zaczęto stosować początkowo
w urządzeniach pokładowych satelitów kosmicznych. Jednak dynamiczny rozwój ogniw fotowoltaicznych połączony z ich komercyjnym wykorzystaniem trwa od początku lat 70. XX wieku, dzięki opracowaniu stosunkowo tanich metod wytwarzania kryształów krzemu i innych półprzewodników.
Fotowoltaika dziś
Panele najnowszej generacji konwertują od 15% do 21% pochłoniętego promieniowania słonecznego. Oznacza to, że przez ostatnie pół wieku wydajność tej technologii nie zwiększyła się znacznie i w dalszym ciągu są to urządzenia niezwykle mało efektywne. Uważa się nawet, że badania nad ogniwami krzemowymi I generacji osiągnęły maksimum swoich możliwości, a przed inżynierami
i badaczami stoją obecnie dwa kierunki rozwoju. Wyzwaniem dla inżynierów jest opracowanie taniej technologii wytwarzania baterii słonecznych, aby możliwie szeroko je upowszechnić (II generacja).
Z kolei dla naukowców, ogromną szansą na zwiększenie wydajności ogniw fotowoltaicznych jest rozwój fizyki materiałowej i poszukiwanie możliwości efektywniejszego łapania światła słonecznego
i wydajniejszego wzbudzania energii elektrycznej (III generacja).
Fotowoltaika – jutro
Obecnie około 85% ogniw dostępnych na rynku jest zbudowana z krzemu. Jednak nawet 30% światła słonecznego odbija się od powierzchni płytek krzemowych, zmniejszając tym samym ich wydajność. Instytuty naukowe na cały świecie pracują nad zwiększeniem efektywności poprzez wykorzystanie różnego rodzaju materiałów półprzewodnikowych i materiałów bazowych, w zależności od ich struktury, grubości czy rodzaju złącza półprzewodnikowego. – Największą szansę na rozwój fotowoltaiki widzę w zastosowaniach nowych materiałów, a w szczególności nanomateriałów
– nanokryształów krzemu i jego form allotropowych oraz materialów dwuwymiarowych, w tym grafenu – mówi Tomasz Gregorkiewicz, profesor Uniwersytetu w Amsterdamie, który prowadzi badania podstawowe w dziedzinie własności optycznych nanomateriałów oraz ich możliwych zastosowań praktycznych w fotonice i wysokowydajnych ogniwach słonecznych III generacji. – W moich badaniach koncentruję się na modyfikacji światła słonecznego na etapie poprzedzającym jego absorpcję w ogniwie słonecznym, tak, by jego rozkład spektralny był bardziej dostosowany do trybu pracy typowego wysokowydajnego ogniwa krzemowego. Chodzi tu o zmniejszenie szerokości widma światła słonecznego i skoncentrowanie go w zakresie, w którym wydajność konwersji fotowoltaicznej jest optymalna, co łączy sie z podziałem wysokoenergetycznych fotonow z „niebieskiej” strony widma słonecznego na dwie lub trzy mniejsze części („quantum cutting”) oraz z łączeniem ze sobą fotonów niskoenergetycznych („quantum pasting”). Wyniki prac prowadzonych w mojej grupie wskazują, że można by to zrealizować za pomocą dodatkowej warstwy specjalnie spreparowanych nanokryształów krzemu. Ogniwa wyposażone w taki dodatkowy filtr („solar shaper”) byłyby w stanie osiągać wydajność nawet rzędu 70-80%, tj. znacznie powyżej teoretycznego 32 procentowego limitu dla krzemu – dodaje profesor Gregorkiewicz.
Własności optyczne nanomateriałów i ich możliwe, praktyczne wykorzystanie w ogniwach fotowoltaicznych jest też jednym z kierunków badań, które będą prowadzone w Centrum Zaawansowanych Technologii i Materiałów (CEZAMAT). Laboratorium Centralne CEZAMAT-u powstanie w Warszawie już w 2015 roku. Prognozuje się, że będzie ono dorównywać najlepszym światowym ośrodkom badawczym. – Zaawansowane technologie pozyskiwania i magazynowania energii z odnawialnych źródeł będą jednym z priorytetów badawczych CEZAMAT-u. Nowoczesna aparatura, zaawansowana myśl technologiczna dzięki współpracy z kadrą światowej klasy specjalistów pozwoli realizować w Laboratorium Centralnym innowacyjne projekty – od pomysłu, aż do prototypu – potwierdza prof. Jacek Kossut, wiceprezes ds. organizacji i współpracy zewnętrznej CEZAMAT-u.
Fotowoltaika w Polsce
Słońce jest najbardziej demokratycznym źródłem energii na świecie. Każdy mieszkaniec Ziemi ma dostęp do światła słonecznego. Co więcej, szybki rozwój technologii ogniw fotowoltaicznych pozwala zwiększać ich atrakcyjność nawet dla terenów słabiej nasłonecznionych, takich jak Polska. Już teraz pokrycie zaledwie 0,5% powierzchni kraju panelami pozwoliłoby w całości zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną. Korzystanie ze złóż węgla mocno zanieczyszcza atmosferę, tak więc coraz większe znaczenie zaczynają odgrywać odnawialne źródła energii. Szczególnie te, które są rozproszone, oparte o naturalne surowce i o polskie technologie. – Głównym celem działalności CEZAMAT-u jest właśnie wypracowanie technologii, którą następnie będzie można wdrażać, produkować i sprzedawać nie tylko w Polsce, ale i na całym świecie – podkreśla prof. Jacek Kossut.
Magdalena Obłoza