Zielona przyszłość fotowoltaiki. Energia czerpana z natury!
Każdy zapewne słyszał, że istnieją panele słoneczne, poprawniej zwane ogniwami fotowoltaicznymi. Nie każdy jednak słyszał, że istnieje kilka ich generacji. Ta technologia ciągle się rozwija, wciąż poszukuje się nowych rozwiązań technicznych i inspiracji. Czasem prosto z natury.
Sercem każdego ogniwa fotowoltaicznego jest złącze półprzewodnikowe (złącze p-n), a zatem dwie stykające się ze sobą powierzchnie, z których jedna stosunkowo dobrze przewodzi prąd (p), druga natomiast wymaga do tego zachęty (n) - energii, której dostarcza światło. Pochłonięcie światła, pozwala wybić elektron z warstwy n, który łatwo może przejść na stronę p złącza, ale po przekroczeniu tej granicy nie może już wrócić. Pod wpływem światła po stronie p gromadzą się więc elektrony - nagromadzenie ładunku przekłada się na powstanie napięcia elektrycznego.
Pierwsza generacja ogniw fotowoltaicznych oparto na wykorzystaniu płaskich tafli krzemu wzbogacanych np. borem i fosforem, by nadać złączu odpowiednie własności. Do dziś panele tego typu charakteryzują się najwyższą wydajnością (najlepiej wykorzystują pochłaniane światło), rzędu 20-25%. Niestety uzyskiwanie tafli krzemu o najlepszych własnościach nie jest łatwe, a co za tym idzie nie jest także tanie.
Obniżanie kosztów produkcji, oznacza zarazem niższą wydajność - często około 16%. Ale nawet zoptymalizowanie procesu produkcji niesie ze sobą jeszcze jeden problem, czyniący z ogniw pierwszej generacji ślepy zaułek fotowoltaiki - wyliczenia przewidują maksymalną sprawność ogniw opartych na krzemie zaledwie na około 30% - lepsze po prostu nie będą. Jest to bodźcem dla poszukiwania innych rozwiązań. Co nie zmienia faktu, że mają one ugruntowaną pozycję na rynku ogniw i wciąż są najbardziej powszechne w użyciu.
Fotowoltaika. Przyszłość sektora energetycznego?
Cienkowarstwowe panele drugiej generacji zastąpiły krzem innymi materiałami, nanoszonymi na stosunkowo tani nośnik w postaci cienkich warstw (stąd nazwa). Warstwy te mogą mieć grubość zaledwie kilkuset nanometrów, czyli nawet sto razy mniej niż średnica ludzkiego włosa. Prym wiodą stopy miedzi z innymi metalami (CIGS) czy tellurku kadmu. Ten ostatni jest jednak kłopotliwy z innych powodów.
Zbliżony własnościami do siarki tellur jest bardzo rzadkim pierwiastkiem - ocenia się, że w skorupie ziemskiej jest go trzykrotnie mniej niż złota. Z kolei kadm jest metalem ciężkim i jego związki mogą być potencjalnie toksyczne dla ludzi i środowiska, dlatego pojawiają się obawy jak bezpiecznie składować lub prowadzić recykling zużytych ogniw tego typu. Wydajność tych ogniw jest w dodatku niższa niż ogniw pierwszej generacji. Ogromną zaletą jest jednak ich niższa cena.
Generacje paneli fotowoltaicznych
Stopniowo popularność, zwłaszcza w Europie, uzyskuje trzecia generacja paneli fotowoltaicznych - ogniwa na bazie barwnych minerałów (perowskitów) oraz uczulanych barwnikiem (ang. DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell), zazwyczaj syntetycznym. Jeśli widzimy, że coś ma barwę, znaczy, że selektywnie pochłania światło. Zwykle cząsteczki uzyskaną w ten sposób energię bezproduktywnie rozpraszają w postaci ciepła, ale jeśli dostatecznie blisko znajdzie się inna substancja lub półprzewodnik o odpowiednio dobranych własnościach to może on ukraść tę energię dla siebie.
To poszerza pulę możliwych do wykorzystania półprzewodników. Ogromną zaletą ogniw tego typu jest ich niska cena i łatwość produkcji. Niestety, wydajność tych ogniw jest zwykle niższa niż ogniw drugiej generacji. By podwyższyć wydajność tych ogniw często wykorzystuje się związki metali ciężkich, co rodzi podobne obawy jak w przypadku ogniw II-generacji. Poszukując nowych inspiracji fizyka niespodziewanie zderzyła się z biologią.
Wszak rośliny także pochłaniają i wykorzystują światło do napędzania fotosyntezy. Dlatego intensywnie bada się możliwość wykorzystywania zielonego barwnika roślin - chlorofilu - do barwienia i aktywacji ogniw DSSC. Wykorzystanie barwników roślinnych nie wiąże się z użyciem związków metali ciężkich (soli rutenu) i jeszcze bardziej obniża koszty produkcji takich ogniw. Ponadto barwniki tego typu są biodegradowalne.
Minusem tej technologii jest jednak jej niezadowalająca wydajność, wynosząca zwykle mniej niż 1%, dlatego te najbardziej przyjazne środowisku wynalazki na razie nie opuściły murów laboratoriów badawczych. Naukowcy są jednak pełni optymizmu, gdyż wykorzystanie nietypowych chlorofili z alg pozwalało podnieść sprawność tych urządzeń nawet do około 4,6%. Funkcjonalność poprawiało też zmieszanie kilku różnych typów barwników lub wzbogacenie mieszanki o inne, składniki np. krzemowe pancerzyki glonów zwanych okrzemkami. Rozwój tej technologii to zatem kwestia znalezienia odpowiednio skutecznej mieszanki.
Ogniwa DSSC łączą w sobie wiele zalet, niedostępnym ogniwom I-szej i II-giej generacji. Mogą wydajnie pracować przy znacznie niższych natężeniach światła (nawet w warunkach zacienienia), a same ogniwa mogą być przeźroczyste - barwniki nanoszone są na płytkę szkła przewodzącego. Zatem taki panel może służyć także jako barwna szyba okna, stwarzając zupełnie nowe możliwości rozwiązań architektonicznych i łatwiej wkomponowując się w krajobraz.
Paweł Jedynak
