Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Fotowoltaika niejedno ma imię

Fotowoltaika niejedno ma imię

Ogniwa fotowoltaiczne, inaczej słoneczne to urządzenia, w których następuje zamiana energii promieniowania z zakresu widzialnego na energię elektryczną. O zasadach ich działania, rozwoju i ostatnich postępach pisze prof. dr hab. Jakub Rysz, dyrektor Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.

Podstawą działania ogniw fotowoltaicznych jest efekt fotowoltaiczny odkryty w 1839 przez Alexandre-Edmonda Becquerela, ojca słynnego Henriego Becquerela znanego ze swojej pracy nad promieniotwórczością. W swoim eksperymencie Becquerel wykorzystał zanurzone w roztworze alkaicznym dwie blaszki platynowe pokryte chlorkiem srebra i bromkiem srebra, oświetlenie ich światłem słonecznym powodowało powstawanie różnicy potencjałów między elektrodami. Kolejnym ważnym krokiem w rozwoju ogniw słonecznych było zaobserwowanie efektu fotowoltaicznego w warstwach selenu nałożonych na złoto. Pod koniec XIX w. w Stanach Zjednoczonych zaczęto nawet instalować urządzenia zbliżone do tego co dzisiaj nazywamy ogniwem słonecznym bazujące na tym pomyśle. Konstrukcję najbardziej rozpowszechnionego dzisiaj ogniwa półprzewodnikowego zawdzięczamy pracy grupy naukowców z BellLabs, którzy w 1954 zademonstrowali działający prototyp ogniwa krzemowego ze złączem p-n.  

Zasadę działania ogniwa słonecznego najłatwiej wyjaśnić na przykładzie urządzenia ze łączem p-n.  Materiał półprzewodnikowy, z którego wykonane jest ogniwo pochłania foton, w wyniku czego elektron z niższego stanu energetycznego w paśmie walencyjnym przechodzi do wyższego poziomu w paśmie przewodnictwa. Powstaje w ten sposób para dwóch nośników ładunku: elektron w paśmie przewodnictwa i dziura w paśmie walencyjnym. Ponieważ w obszarze złącza występuje niewielkie pole elektryczne, które powoduje, że powstałe w wyniku absorpcji pary elektronu i dziury będą efektywnie rozrywane, a powstałe w ten sposób swobodne dziury i elektrony będą przesuwane odpowiednio do obszaru typu p (dziury) i typu n (elektrony), powstaje w ten sposób różnica potencjałów, która wymusza przepływ prądu w obwodzie z ogniwem.

Rozwój przemysłu elektronicznego pociągnął za sobą również rozwój półprzewodnikowych ogniw słonecznych. Nowe materiały, nowe technologie wytwarzania pozwoliły na stworzenie urządzeń, które w bardzo efektywny sposób przetwarzają energię światła na energię elektryczną. Podstawowym parametrem, który mówi o tym jak efektywnie zachodzi ten proces w danym ogniwie jest sprawność. Amerykańskie National Renewable Energy Laboratory rokrocznie publikuje zaktualizowany wykres pokazujący jak rośnie sprawność najlepszych urządzeń tego typu, a sięgają one już prawie 50%. Niestety osiągnięcie tak dużej sprawności związane jest z wysokimi kosztami produkcji, więc urządzenia tego typu stosowane są głównie w przemyśle kosmicznym, ale rozwoju całego sektora półprzewodnikowych ogniw słonecznych spowodował znaczący spadek cen, w efekcie przydomowe instalacje elektryczne zyskują coraz większą popularność.

Równolegle z rozwojem ogniw krzemowych, tak zwanych ogniw I generacji, poszukiwano nowych technologii efektywnego konwertowania energii słonecznej na energię elektryczną. W wyniku tych prac powstały między innymi urządzenia bazujące na cienkich warstwach cyny, indu, galu i selenu popularnie nazywane CIGS. Opracowanie metod syntezy półprzewodnikowych materiałów organicznych pozwoliło na stworzenie lekkich i elastycznych "plastikowych" ogniw słonecznych, które mogą być np. wszywane jako elementy tak zwanej inteligentnej odzieży.

Ogniwa barwnikowe (ang. Dye-sensitized solar cell DSSC) wykorzystają natomiast molekuły barwnika, które mogą pochodzi również z naturalnych źródeł takich jak na przykład ekstrakty roślinne, z innym powszechnie wykorzystywanym materiałem jakim jest tlenek tytanu. Tlenek tytanu można spotkać w wielu produktach, takich jak farby, kosmetyki, a nawet produkty spożywcze (E117). Jako półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej nie nadaje się do wykorzystanie w produkcji ogniw słonecznych, ponieważ mógłby absorbować jedynie promieniowanie z zakresu ultrafioletowego, ale pokryty molekułami absorbującymi światło widzialne bardzo efektywnie przechwytuje wzbudzone elektrony i transportuje je do elektrody. Warstwy tlenku tytanu tworzone są na przeźroczystych elektrodach, a następnie barwione poprzez zanurzenie w roztworze barwnika. Przeciw elektrodę stanowi w takich ogniwach przeźroczysta warstwa przewodzącego tlenku pokryta nanocząstkami platyny, między elektrodami znajduje się elektrolit, który przenosi elektrony uzupełniając je w molekułach barwnika. Zastosowanie dwóch przeźroczystych elektrod daje możliwość tworzenia transparentnych ogniw słonecznych, które mogą być stawiane zamiast szyb w oknach.

W ostatnim dziesięcioleciu zawrotną karierę zrobiły ogniwa wykorzystujące jako materiały absorbujący światło kryształy o strukturze perowskitu, stąd też nazwa ogniwa perowskitowe. Najczęściej stosowane są trihalogenki ołowiowo-metyloaminowe lub związki o podobnej budowie, w których ołów zastępowany jest innymi pierwiastkami. Dużymi atutami perowskitowych ogniw słonecznych jest niewielki koszt produkcji oraz bardzo wysoka sprawność, która od czasu pierwszych prac niemal się podwoiła i osiąga teraz wartość około 25% dorównując najlepszym ogniwom krzemowym. Jednym z liderów technologii ogniw perowskitowych jest polska firma Saule Technologies, która w ostatnim czasie ogłosiła, że jako pierwsza w świecie otwiera linię technologiczną produkującą tego typu ogniwa metodą druku atramentowego.

Małe przydomowe instalacje fotowoltaiczne już dzisiaj nikogo nie dziwią, wraz ze wzrostem ich ilości zaczynają się pojawiać problemy z dystrybucją energii elektrycznej jaką wytwarzają. Najwięcej energii ze słońca powstaje głównie w okresie, kiedy użytkownicy domów jednorodzinnych są w pracy, a zapotrzebowanie na nią wzrasta wieczorem, kiedy słońce już nie operuje tak w środku dnia. Optymalnie byłoby, gdyby można produkować taką energię tam, gdzie jest ona najbardziej potrzebna w środku dnia, np. w biurowcach, powierzchnia dachów takich budynków jest jednak stosunkowo niewielka i na dodatek często zajęta przez elementy instalacji zapewniających wentylację wewnątrz. Stąd narodził się pomysł, aby urządzenia fotowoltaiczne montować na fasadach budynków bez szkody dla ich estetyki. Idea integrowania elementów fotowoltaicznych z konstrukcją budynku już na etapie projektowania (Building Integrated Photovoltaics) zdobywa sobie coraz większą popularność, a jednym z liderów europejskich na tym rynku jest polska firma ML System. Różnorodność technologii wytwarzania urządzeń fotowoltaicznych daje szerokie możliwości tworzenia elementów, mogłyby zastąpić tradycyjne materiały stosowane w budownictwie jednocześnie produkując prąd i nie muszą to być nudne niebieskawe płytki pokryte cienkimi drucikami.

 

Prof. dr hab. Jakub Rysz

Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego

Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ

Polecamy również
Trąba powietrzna w Czechach [komentarz]
Trąba powietrzna w Czechach [komentarz]
Tydzień Noblowski 2020 - komentarze
Tydzień Noblowski 2020 - komentarze