Fotowoltaika nauczyła nas myśleć o energii słonecznej przez pryzmat sztywnych, ciężkich modułów i dachów, które muszą je udźwignąć. Tyle że część najbardziej obiecujących zastosowań (od półprzezroczystych przeszkleń po lekkie powłoki na elementach elewacji) od początku prosiła się o zupełnie inny format: cienką, elastyczną warstwę, którą da się “położyć” tam, gdzie krzem jest kłopotliwy. Takie właśnie możliwości obiecują panele organiczne, mające wprawdzie sporo problemów, ale ciągle ulepszane.
Jak prosta substancja może ustabilizować ogniwa organiczne?
Za najnowszym przełomem stoją badacze Nutifafa Doumon i Souk Yoon Kim z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii. Ich praca koncentruje się na związku znanym jako 9,10-fenantrenochinon (PQ), który może stabilizować i wzmacniać organiczne ogniwa fotowoltaiczne w sposób wcześniej nieosiągalny przy użyciu standardowych rozwiązań. Ta węglowodorowa pochodna wyróżnia się na tle innych dodatków przede wszystkim swoją dostępnością i bezpieczeństwem. W przeciwieństwie do wielu stosowanych obecnie toksycznych związków, PQ jest komercyjnie dostępny, stosunkowo tani i prosty w aplikacji.
PQ jest również niedrogi, dostępny komercyjnie, bezpieczniejszy i prostszy niż wiele istniejących dodatków wprowadzanych w procesie produkcji. Lepsza stabilność jest koniecznością, aby organiczne ogniwa słoneczne stały się bardziej konkurencyjną opcją na rynku komercyjnym – Souk Yoon Kim, doktorant Penn State University.
Najbardziej przekonujące są twarde dane z laboratorium. Urządzenia wzbogacone o dodatek PQ zachowały ponad 93% swojej początkowej sprawności po 180 godzinach ciągłej ekspozycji na podwyższoną temperaturę. Dla porównania, standardowe ogniwa z powszechnie używanym toksycznym dodatkiem osiągały w tych samych warunkach zaledwie 76% retencji wydajności. Różnica 17 punktów procentowych przekłada się na znacznie dłuższy teoretyczny czas użytkowania, co bezpośrednio redukuje potencjalne koszty eksploatacji i ilość odpadów.
Czytaj też: DARPA bierze się za alternatywne paliwo. Dlaczego Fleetwood jest tak ciekawy?
Co istotne, PQ nie tylko spowalnia degradację, ale również nieznacznie podnosi początkową efektywność konwersji energii. Wprawdzie jest to ważny krok, ale jednocześnie warto pamiętać, że testy laboratoryjne to jeszcze nie rzeczywista eksploatacja w zmiennych warunkach pogodowych.
Znaczenie organicznych ogniw słonecznych. Dlaczego ta technologia ma potencjał?
Wartość organicznej fotowoltaiki leży w odpowiedzi na problemy jej krzemowego odpowiednika. Produkcja tradycyjnych paneli jest procesem bardzo energochłonnym, wymagającym wysokich temperatur i użycia toksycznych substancji chemicznych. Recykling zużytych modułów również stanowi spore wyzwanie. Organiczne ogniwa projektowano z myślą o ominięciu tych barier, bo można je wytwarzać w niskich temperaturach, często z użyciem technik podobnych do druku, bez metali ciężkich. Ich lekkość i elastyczność otwiera zupełnie nowe ścieżki zastosowań, które są niedostępne dla sztywnych, ciężkich paneli krzemowych. Dotychczas to właśnie szybka degradacja uniemożliwiała wykorzystanie tego potencjału.
Czytaj też: Naukowcy zamknęli promienie słońca w jednej molekule. Ciepło można wycisnąć z niej nawet po latach
Odkrycie skuteczności dodatku PQ jest niewątpliwie pozytywnym sygnałem dla rozwoju zrównoważonej fotowoltaiki. Pokazuje, że prostymi, dostępnymi środkami można walczyć z główną słabością organicznych ogniw. Jednakże entuzjazm powinien być tu stonowany. Przejście od obiecujących wyników laboratoryjnych do stabilnych, wielkoformatowych modułów, które przez lata będą pracować na dachu, to ogromne wyzwanie inżynieryjne i materiałowe. Jeśli kolejne badania potwierdzą zalety PQ w różnych warunkach i konfiguracjach, technologia ta może stać się realnym, bardziej ekologicznym uzupełnieniem dla dominującego krzemu. Na razie jednak fotowoltaika organiczna wciąż potrzebuje czasu i dalszych inwestycji, by spełnić swoje obietnice.
Czytaj też: Niczym silnik rakietowy dla litu. Jak zapomniany kryształ może uratować rynek?
Zespół z Penn State wyraźnie zresztą zaznacza, że ich odkrycie to dopiero jeden etap na długiej ścieżce rozwoju. Zamiast tego traktują to jako ważny krok naprzód i planują kontynuować eksperymenty z innymi związkami, które mogłyby dalej poprawiać parametry ogniw. Równolegle prace nad organiczną fotowoltaiką trwają w ośrodkach na całym świecie. Niedawno europejski instytut Fraunhofer ISE wraz z Uniwersytetem we Fryburgu osiągnął rekordową wydajność rzędu 14,9% dla ogniw organicznych o powierzchni co najmniej jednego centymetra kwadratowego. Ostatecznym celem całej branży jest opracowanie technologii produkcji wielkopowierzchniowych modułów w tani, skalowalny proces, podobny do druku rolkowego (roll-to-roll).