Kluczem do rozwiązania tego problemu z panelami słonecznymi mają być mikroskopijne struktury stworzone ze złota. Zespół z Korea University opracował specjalne kulki, które zdaniem badaczy absorbują niemal całe spektrum słoneczne, włączając w to fale dotychczas marnowane. Wstępne testy laboratoryjne pokazują, że ich wynalazek może niemal dwukrotnie zwiększyć efektywność pochłaniania energii w porównaniu z niektórymi tradycyjnymi rozwiązaniami.
Działanie złotych superkulek. Klucz tkwi w hierarchicznej budowie
Struktury nazwane przez naukowców mianem “supraballs” mają średnicę około 2100 nanometrów, czyli są około pięćdziesiąt razy cieńsze od przeciętnego ludzkiego włosa. Ich wyjątkowość polega na specyficznej budowie, bo każda taka większa kulka składa się z setek mniejszych nanocząstek złota, które samoczynnie łączą się w uporządkowane, hierarchiczne formy. Tego typu specyficzna architektura nadaje im unikalne właściwości optyczne.
Czytaj też: Naukowcy obkleili panele słoneczne. Produkcja prądu skoczyła tak, że trudno w to uwierzyć
Wprawdzie nanocząstki złota czy srebra były rozważane jako dodatek do paneli słonecznych już wcześniej, więc o czymś zupełnie nowym nie ma mowy, ale do tej pory ich główną wadą była wąska specyfika absorpcji, ograniczająca się głównie do światła widzialnego. Nowe supraballs mają z kolei tę przewagę, że potrafią efektywnie wychwytywać także światło z zakresu bliskiej podczerwieni, które stanowi pokaźną część energii słonecznej docierającej na powierzchnię naszej planety.
Badacze (Jaewon Lee, Seungwoo Lee oraz Kyung Hun Rho) tak dostroili średnicę swoich kulek, aby maksymalnie wykorzystać konkretne długości fal obecne w świetle słonecznym. Symulacje komputerowe wskazywały na możliwość pochłonięcia ponad 90% padającego promieniowania, ale teoria musiała zmierzyć się z praktyką.
Wyniki w praktyce, czyli niemal 90% absorpcji w testach
Aby sprawdzić realny potencjał technologii, naukowcy pokryli warstwą złotych supraballs komercyjnie dostępny generator termoelektryczny, czyli urządzenie zamieniające energię świetlną na elektryczną. Całość poddano działaniu symulatora słonecznego, a efekt okazał się bardzo obiecujący. Pokryty nanokulkami generator osiągnął średnią absorpcję na poziomie około 89%, co było niemal idealnym odzwierciedleniem wcześniejszych prognoz. Dla porównania, tradycyjna warstwa z pojedynczych nanocząstek złota pochłaniała jedynie 45% energii. Różnica jest więc wyraźna i istotna z punktu widzenia praktycznej efektywności.
Czytaj też: Koniec z brutalną litografią. Perowskit dostaje wreszcie obróbkę na miarę swoich możliwości
W świecie energii odnawialnej nawet niewielki wzrost wydajności ma znaczenie ekonomiczne, a tutaj mówimy o skoku, który mógłby realnie wpłynąć na opłacalność instalacji. Co równie ważne, proces wytwarzania tej powłoki jest zaskakująco prosty. Polega on na naniesieniu płynnego roztworu zawierającego nanocząstki na powierzchnię i pozostawieniu go do wyschnięcia w standardowych warunkach pokojowych. W całym procesie nie jest potrzebna skomplikowana i kosztowna infrastruktura produkcyjna, co stanowi ogromną przewagę nad wieloma innymi zaawansowanymi materiałami fotowoltaicznymi.
Chociaż złoto jako surowiec kojarzy się z wysokimi kosztami, to w skali nanometrycznej jego ilości są minimalne, a cały proces (jak przekonują twórcy) pozostaje ekonomicznie uzasadniony.
Ostatecznie, ta technologia powlekania mogłaby znacząco obniżyć barierę dla wysokowydajnych systemów słoneczno-termicznych i fototermicznych w rzeczywistych zastosowaniach energetycznych – Seungwoo Lee, Korea University
Czytaj też: Naukowcy obejrzeli wnętrze paneli słonecznych i odkryli ich sekret
Prace były finansowane przez National Research Foundation of Korea, Korea Institute of Science and Technology, Korea-US Collaborative Research Fund oraz Korea University, a ich wyniki opublikowano w czasopiśmie ACS Applied Materials & Interfaces.
Czy supraballs wejdą do powszechnych paneli fotowoltaicznych?
Pozostaje kluczowe pytanie o skalę i czas potencjalnego wdrożenia. Wyniki laboratoryjne są bez wątpienia imponujące, ale tradycyjnie sama droga od małego prototypu do masowej produkcji i komercyjnego zastosowania w panelach słonecznych jest zwykle długa i usiana wyzwaniami. Trzeba będzie sprawdzić trwałość takich powłok w różnych warunkach pogodowych, opracować procesy przemysłowe i udowodnić, że całość nadal będzie opłacalna w dużych instalacjach. Jeśli jednak te przeszkody uda się pokonać, to technologia z Korei Południowej może stać się jednym z tych elementów, które stopniowo poprawiają ekonomikę całej fotowoltaiki, czyniąc ją jeszcze mocniejszą konkurentką dla konwencjonalnych źródeł energii. To wprawdzie ciągle raczej ewolucja niż rewolucja, ale w energetyce każdy krok w dobrą stronę ma znaczenie.