Mam problem z opowieściami o “przełomach” w fotowoltaice, bo ten sektor widział już tyle rekordów, nowych powłok, tandemów, perowskitów i cudownych materiałów, że po latach obserwacji łatwo się na to uodpornić. Z drugiej strony właśnie dlatego warto patrzeć na takie wynalazki uważniej. Czasem nie chodzi bowiem o to, żeby zbudować panel od zera inaczej, tylko żeby dołożyć mu pewną sprytną warstwę, która zacznie zbierać resztki z talerza.
Tutaj zaczyna się historia nanoskalowego urządzenia z UNSW Sydney.
Słońce świeci znacznie szerzej, niż “widzi” klasyczny panel
Klasyczne ogniwa krzemowe są świetnym przykładem technologii, która wygrała skalą, trwałością i produkcyjną dojrzałością, ale nie wygrała z fizyką. Krzem nie zamienia bowiem całego światła słonecznego na energię elektryczną. Część promieniowania zostaje odbita, część zmienia się w ciepło, a część fotonów ma po prostu zbyt małą energię, żeby zostać sensownie wykorzystana. Zwłaszcza dłuższe fale, a w tym fragment czerwieni i podczerwieni, potrafią przelecieć przez konwencjonalne ogniwo bez większego pożytku.
Czytaj też: Prąd przestał płynąć, ale to nie koniec historii. Blackout pokazał coś gorszego
Ten problem przewija się przez wiele kierunków badań. Widać go przy hybrydowych ogniwach, które próbowały okiełznać podczerwień, przy perowskitowo-organicznych tandemach, a nawet przy złotych supraballs pochłaniających szerszy zakres promieniowania. W każdym z tych przypadków stawka jest podobna i sprowadza się do wyciągania większej energii z tego samego światła.
Nowy wynalazek, który sprowadza się do specjalnej warstwy, idzie jednak inną drogą. Nie próbuje zastąpić krzemu nową magiczną warstwą aktywną. Jego sens polega na przechwytywaniu fotonów o niższej energii i przekształcaniu ich w światło widzialne o wyższej energii. Innymi słowy, coś, czego panel normalnie nie potrafiłby wykorzystać, zostaje zamienione w coś, z czym ogniwo radzi sobie znacznie lepiej.
Nanoskalowa warstwa, która zawraca uciekające fotony
Najprościej można wyobrazić sobie taką warstwę jako filtr umieszczony za ogniwem słonecznym. Część promieniowania, która normalnie przeszłaby przez panel i zniknęła bez zysku energetycznego, trafia na dodatkową strukturę. Ta z kolei zamienia niskoenergetyczne fotony czerwone i podczerwone na fotony widzialne, które mogą zostać odbite z powrotem do ogniwa, więc w praktyce mówimy o zjawisku upkonwersji fotonów, a dokładniej o podejściu opartym na fuzji stanów trypletowych. Dwa słabsze “pakiety” energii mogą w takim układzie doprowadzić do emisji jednego bardziej użytecznego fotonu. Efekt? Podczerwień nie musi kończyć jako strata albo ciepło. Może dostać drugą szansę.
Czytaj też: Polscy naukowcy chcą wycisnąć paliwo z tego, co zwykle gnije
Problem polegał dotąd na tym, że rozwiązania ciekłe są trudne do połączenia z masową produkcją paneli, a wersje stałe często traciły energię tam, gdzie miały ją zachować. Badacze tym razem zaproponowali więc coś pomiędzy. Stworzyli medium oparte na cieczy fuzji trypletowej, które w odpowiednio krótkich skalach czasowych zachowuje się jak ciało stałe. Wypełnia ono pory nanorusztowania z tlenku glinu, do którego zostały przyczepione cząsteczki sensybilizatora. Najważniejszy efekt jest taki, że konstrukcja ogranicza niepożądany powrót energii do sensybilizatora, czyli jedną z dróg strat dręczących wcześniejsze systemy stałe.
Wynik? Sprawność konwersji fotonów na poziomie 8,2% w tej architekturze, ale to nie znaczy, że oto każdy panel słoneczny z dnia na dzień dostanie dodatkowe 8,2 punktu procentowego sprawności. Takie liczby dotyczą samego procesu konwersji fotonów w konkretnym układzie, a nie gotowego modułu leżącego na dachu w deszczu, upale i kurzu. Mimo to wynik jest istotny, bo pokazuje, że nanoskalowa, stała struktura może nie tylko działać, ale działać na poziomie, który nie będzie kroplą w morzu.
Czytaj też: Ceny litu runą? Naukowcy rozpuścili skałę i zobaczyli kopalnię jutra bez gór odpadów
Badacze podkreślają, że system pracuje w strukturze stałej, a to odróżnia go od wcześniejszych podejść ciekłych. Jest to akurat kluczowe, bo panele słoneczne są urządzeniami, które muszą przeżyć lata ekspozycji na promieniowanie UV, wilgoć, cykle grzania i chłodzenia, naprężenia mechaniczne, zabrudzenia, degradację uszczelnień oraz wszystkie drobne niedoskonałości produkcji wielkoskalowej. Tę walkę o trwałość widać przy perowskitach, które regularnie zachwycają wynikami, ale ciągle walczą o stabilność, oraz przy diagnostyce wilgoci w modułach, gdzie sama sprawność nie wystarcza, jeśli nie da się utrzymać parametrów przez długie lata.
Aktualnie nie wiemy jednak nic odnośnie potencjalnego wprowadzenia tej technologii do produkcji paneli słonecznych.
Źródła: PV Magazine
