Zielona przyszłość fotowoltaiki. Energia czerpana 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.

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.

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.

Znajdująca się na pustyni Mojave w Kalifornii Ivanpah Solar Electric Generating System jest największą termalną elektrownią słoneczną na świecie. W ubiegłym tygodniu rozpoczęła ona swoją pracę. Elektrownia Ivanpah osiąga moc 392 MW, czyli 30 proc. całej energii słonecznej produkowanej w USA, dzięki czemu jest w stanie zaspokoić potrzeby ponad 140 000 gospodarstw domowych. Projekt kompleksu kosztował 2,2 mld dol., a wśród inwestorów znalazła się firma NRG Energy oraz Google. W elektrowni ma na stałe być zatrudnionych 86 pracowników. Elektrownia Ivanpah składa się ze 173 000 heliostatów, które zajmują łączną powierzchnię blisko 14 km kw. Lustra dostosowują powierzchnię względem Słońca i przechwyconą energię kierują na wieżę LPT 550 o wysokości 135 m z wypełnionym wodą zbiornikiem na szczycie. Zgromadzone ciepło powoduje, że zgromadzona w zbiorniku woda paruje, a para napędza tradycyjne turbiny. Nowa amerykańska elektrownia ma zmniejszyć emisję dwutlenku węgla do atmosfery o 400 000 ton rocznie.