Energia słoneczna może być tańsza
WYDZIAŁ CHEMII
Jednym z najistotniejszych współczesnych wyzwań dla naukowców jest pozyskiwanie energii ze źródeł alternatywnych i ograniczenie korzystania z elektrowni węglowych czy gazowych. W zespole badawczym pod kierunkiem prof. Szczepana Zapotocznego postanowiono zmierzyć się z tym problemem. Celem prac stało się znalezienie taniej, czystej i wydajnej metody pozyskiwania energii poprzez ulepszenie stosowanych w fotowoltaice rozwiązań.
Czyste źródła w postaci elektrowni wiatrowych czy wodnych muszą być lokowane w miejscach spełniających odpowiednie warunki, mogą bowiem wywierać negatywny wpływ na środowisko. Z energią jądrową wiąże się wiele różnych problemów, a jednym z nich jest chociażby składowanie odpadów promieniotwórczych.
Powszechnie dostępna energia słoneczna jest wciąż traktowana tylko jako znacząca alternatywa energetyczna, głównie ze względu na ograniczoną wydajność i wysokie koszty jej przetwarzania w energię elektryczną. Warto skupić się na stworzeniu materiałów i układów, których wykorzystanie umożliwi rozwiązanie problemów obecnie ograniczających efektywność ogniw słonecznych, dzięki czemu w przyszłości będą one mogły stanowić rzeczywistą alternatywę dla konwencjonalnych źródeł energii albo nawet je zastąpić.
fot.: © DebbieMous | freeimages.com
Prąd ze Słońca
Ogniwa słoneczne pracują, wykorzystując zjawisko fotowoltaiczne, które umożliwia zamianę energii świata słonecznego na energię elektryczną. Jest to powszechnie stosowany i ekologiczny sposób wytwarzania energii elektrycznej, ponieważ może być użyty wszędzie tam, gdzie świeci słońce. Główną wadą współczesnych fotoogniw (paneli) słonecznych, które produkowane są z krzemu, jest niska wydajność wytwarzania energii elektrycznej w stosunku do kosztów produkcji samych fotoogniw. Wiele światowych ośrodków badawczych prowadzi badania nad fotoogniwami stworzonymi na bazie polimerów przewodzących – plastików przewodzących prąd elektryczny podobnie jak metale. Polimery te, ze względu na dość niski koszt wytwarzania, łatwy proces produkcji oraz możliwość tworzenia cienkich i giętkich paneli, są nadzieją na upowszechnienie fotowoltaiki. Wadą tego rodzaju ogniw słonecznych jest ciągle ich niska wydajność maksymalna przetwarzania energii światła w elektryczną. Wynosi ona 8-10% (to procent energii światła, który udaje się przetworzyć w energię elektryczną, reszta jest tracona, bo przekształcana w ciepło, w tym przypadku niepożądane) i jest niższa w porównaniu do tradycyjnych ogniw półprzewodnikowych (krzemowych) wytwarzanych komercyjnie (15-20%).
Schemat różnych rodzajów ogniw (paneli) słonecznych:
A – najprostszy układ dwuwarstwowy, B – układ zbudowany
z dwóch składników zmieszanych ze sobą w całej objętości,
C – układ regularny zawierający przewodzące szczotki polimerowe
Nadać kierunek przepływowi elektronów
Ładunki elektryczne wytwarzane w fotoogniwach w wyniku działania światła muszą być przetransportowane do odpowiednich elektrod, aby wytworzyć napięcie i pozwolić prądowi elektrycznemu popłynąć. W tradycyjnych fotoogniwach wytworzone ładunki mają albo zbyt długą drogę do przebycia, albo przemieszczają się w różnych kierunkach, nie zmierzając ostatecznie do elektrod. Taki niekorzystny przepływ ładunków powoduje znaczący spadek wydajności zamiany energii światła na energię elektryczną. W ramach prowadzonych badań naukowcy z UJ proponują zamianę tradycyjnych struktur fotoogniw (na rysunku podpisane jako A i B) na regularny układ przewodzących szczotek polimerowych (na rysunku C), które są zdolne do ukierunkowanego przenoszenia ładunków.
Każdy posiada w domu szczoteczkę do zębów, szczotkę do włosów czy ubrań. Są to przedmioty makroskopowe, których odpowiednik można znaleźć również w świecie o rozmiarach nanometrycznych (1 nanometr to jedna milionowa część milimetra). Szczotki polimerowe są materiałami składającymi się z podłoża, do którego jednym końcem zakotwiczone są pojedyncze łańcuchy polimerowe – jak włókna w szczoteczce do zębów. „Nasz materiał jest nowatorskim na skalę światową rozwiązaniem, ponieważ po raz pierwszy udało się otrzymać zdolne do przewodzenia prądu i regularnie ułożone łańcuchy polimerowe przyczepione do metalicznej powierzchni złota. Otrzymane w naszym zespole szczotki wykazują duże przewodnictwo prądu, porównywalne z przewodnictwem metali" – informuje prof. Zapotoczny.
Nowe szczotki polimerowe posłużą do budowy ogniwa słonecznego. Ze względu na zminimalizowaną stratę wytwarzanego prądu, powinno się ono cechować wysoką wydajnością i to przy zachowaniu niskiej ceny, jak również łatwej produkcji.