Zamiast traktować wytwarzanie i magazynowanie energii elektrycznej jako dwa odrębne pudełka połączone kablami i oprogramowaniem, badacze coraz częściej testują pojedyncze, zintegrowane urządzenia, które jednocześnie pochłaniają światło i gromadzą wynik w ciekłym elektrolicie. Taka architektura otwiera drzwi, które klasyczne moduły krzemowe trzymają zamknięte. Ciepło, które zwykle obniża napięcie i “ucina” punkty z uzysku fotowoltaiki, może przyspieszać chemię po stronie magazynowania w tych właśnie zintegrowanych ogniwach. Pytanie brzmi więc prosto – jak daleko sięga ten zysk, zanim fizyka cofnie korzyści, i czy efekt jest na tyle duży oraz stabilny, by miał znaczenie poza dygestorium?
Innowacja roku. Ten sprzęt okiełznał największego wroga, aby działać lepiej
Najnowszą odpowiedź na postawione pytanie daje zespół z Loughborough University i Heriot-Watt University, który badał krzemowe fotoelektrochemiczne ogniwa przepływowe, czyli urządzenia typu solar-plus-storage, gdzie półprzewodnikowa fotoelektroda zanurzona w elektrolicie bezpośrednio ładuje cząsteczki redoks pod wpływem światła. Wraz z ze wzrostem temperatury ogniw, rósł też prąd elektrochemiczny, bo jony poruszały się szybciej, a elektrolit przewodził lepiej. Jednocześnie pojawiała się znana “kara fotowoltaiczna” w postaci spadku potencjału, kiedy to bilans dał wyraźne okno pracy z optimum około 45°C. Powyżej tego punktu zyski słabły, gdy straty napięcia doganiały przewagę prądową.
Czytaj też: Panele słoneczne przyszłości już w laboratoriach. Naukowcy pokonali barierę łączenia perowskitów z krzemem
Jeśli brzmi to na opak, to dlatego, że instynktownie myślimy o samodzielnych panelach. Krystaliczne moduły krzemowe zwykle tracą ok. 0,3-0,5% mocy na każdy stopień Celsjusza powyżej 25°C. Na typowym dachu latem tylna warstwa panelu często ma 50-60°C, co tłumaczy, dlaczego chłodne, jasne dni potrafią dać zaskakująco dobry uzysk. W testach Loughborough strona fotowoltaiczna nadal podlegała tej zasadzie, ale strona magazynowania poprawiała się na tyle mocno wraz z wyższą temperaturą, by do pewnego poziomu (mniej więcej do 45°C) to skompensować. Chemia “odbiła” więc to, co tracił rozgrzany krzem.
Czytaj też: O jedną trzecią mniejsza instalacja przy tej samej mocy. Chińczycy prezentują ogniwa o rekordowej sprawności
Zrozumienie, dlaczego ciepło pomaga części magazynującej, wymaga krótkiej wycieczki po budowie tych urządzeń. Fotoelektrochemiczne ogniwo przepływowe kieruje elektrolit wzdłuż światłoczułego półprzewodnika. Światło tworzy w nim nośniki ładunku, które napędzają reakcje redoks “ładujące” rozpuszczone cząsteczki w płynącym roztworze. Ponieważ elektrolit krąży, naładowany roztwór można przechować w zbiorniku i rozładować później w oddzielnym kroku elektrochemicznym, podobnie jak w akumulatorze przepływowym typu redoks. Gdy temperatura rośnie, jednocześnie dzieją się dwie korzystne rzeczy: rośnie ruchliwość jonów i spada opór wewnętrzny, co z kolei objawia się wyższym prądem przy danym napięciu ogniwa. Haczyk w tym, że fotonapięcie półprzewodnika maleje wraz z ogrzewaniem, więc między elektrochemią a fotowoltaiką toczy się przeciąganie liny, które daje optimum temperaturowe zamiast nieograniczonej korzyści. Grupa z Loughborough i Heriot-Watt zaobserwowała dokładnie tę dynamikę: poprawa transportu masy kulminowała w okolicy 45°C, a potem wyhamowywała.
Tego typu odkrycie nie sprawia, że konwencjonalne instalacje fotowoltaiczne mogą nagle polubić ciepło, choć oczywiście będzie to wymagać sięgnięcia po panele słoneczne z ogniwami typu solar-plus-storage. Dzięki nim praca w podwyższonej temperaturze nie jest jednak porażką projektu, którą trzeba za wszelką cenę tłumić. Staje się parametrem, którym można świadomie sterować. W praktyce może to oznaczać kierowanie ciepła w kanały elektrolitu zamiast odprowadzania go z urządzenia albo nawet całkowitą rezygnację z systemów chłodzenia. Aktualnie to podejście ma jednak wady – nowa praca opiera się na kontrolowanych badaniach krzemowych fotoelektrod w elektrolicie ferrycyjano-żelazianowym. W nim zbyt wysoka temperatura w końcu przyspieszy degradację membran, uszczelek i cząsteczek redoks, może też uruchomić reakcje uboczne lub wytrącanie soli skracające żywotność. Sami autorzy wskazują trwałość i długoterminową stabilność jako zmienne do zaprojektowania, a nie założenia, więc potencjał jest… ale komercjalizacja jest nadal odległa.