Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Fotowoltaika niejedno ma imię

Ogniwa fotowoltaiczne inaczej słoneczne, to urządzenia, w których następuje zamiana energii promieniowania z zakresu widzialnego na energię elektryczną. O zasadach ich działania, rozwoju i ostatnich postępach pisze prof. dr hab. Jakub Rysz, Zatępca dyrektora Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.

Podstawą działania ogniw fotowoltaicznych jest efekt fotowoltaiczny odkryty w 1839 przez Alexandre-Edmonda Becquerela, ojca słynnego Henriego Becquerela znanego ze swojej pracy nad promieniotwórczością. W swoim eksperymencie Becquerel wykorzystał zanurzone w roztworze alkaicznym dwie blaszki platynowe pokryte chlorkiem srebra i bromkiem srebra, oświetlenie ich światłem słonecznym powodowało powstawanie różnicy potencjałów między elektrodami. Kolejnym ważnym krokiem w rozwoju ogniw słonecznych było zaobserwowanie efektu fotowoltaicznego w warstwach selenu nałożonych na złoto. Pod koniec XIX w. w Stanach Zjednoczonych zaczęto nawet instalować urządzenia zbliżone do tego co dzisiaj nazywamy ogniwem słonecznym bazujące na tym pomyśle. Konstrukcję najbardziej rozpowszechnionego dzisiaj ogniwa półprzewodnikowego zawdzięczamy pracy grupy naukowców z BellLabs, którzy w 1954 zademonstrowali działający prototyp ogniwa krzemowego ze złączem p-n. 

Zasadę działania ogniwa słonecznego najłatwiej wyjaśnić na przykładzie urządzenia ze łączem p-n. Materiał półprzewodnikowy, z którego wykonane jest ogniwo pochłania foton, w wyniku czego elektron z niższego stanu energetycznego w paśmie walencyjnym przechodzi do wyższego poziomu w paśmie przewodnictwa. Powstaje w ten sposób para dwóch nośników ładunku: elektron w paśmie przewodnictwa i dziura w paśmie walencyjnym. Ponieważ w obszarze złącza występuje niewielkie pole elektryczne, które powoduje, że powstałe w wyniku absorpcji pary elektronu i dziury będą efektywnie rozrywane, a powstałe w ten sposób swobodne dziury i elektrony będą przesuwane odpowiednio do obszaru typu p (dziury) i typu n (elektrony), powstaje w ten sposób różnica potencjałów, która wymusza przepływ prądu w obwodzie z ogniwem.

Rozwój przemysłu elektronicznego pociągnął za sobą również rozwój półprzewodnikowych ogniw słonecznych. Nowe materiały, nowe technologie wytwarzania pozwoliły na stworzenie urządzeń, które w bardzo efektywny sposób przetwarzają energię światła na energię elektryczną. Podstawowym parametrem, który mówi o tym jak efektywnie zachodzi ten proces w danym ogniwie jest sprawność. Amerykańskie National Renewable Energy Laboratory rokrocznie publikuje zaktualizowany wykres pokazujący jak rośnie sprawność najlepszych urządzeń tego typu, a sięgają one już prawie 50%. Niestety osiągnięcie tak dużej sprawności związane jest z wysokimi kosztami produkcji, więc urządzenia tego typu stosowane są głównie w przemyśle kosmicznym, ale rozwoju całego sektora półprzewodnikowych ogniw słonecznych spowodował znaczący spadek cen, w efekcie przydomowe instalacje elektryczne zyskują coraz większą popularność.

Równolegle z rozwojem ogniw krzemowych, tak zwanych ogniw I generacji, poszukiwano nowych technologii efektywnego konwertowania energii słonecznej na energię elektryczną. W wyniku tych prac powstały między innymi urządzenia bazujące na cienkich warstwach cyny, indu, galu i selenu popularnie nazywane CIGS. Opracowanie metod syntezy półprzewodnikowych materiałów organicznych pozwoliło na stworzenie lekkich i elastycznych "plastikowych" ogniw słonecznych, które mogą być np. wszywane jako elementy tak zwanej inteligentnej odzieży.

Ogniwa barwnikowe (ang. Dye-sensitized solar cell DSSC) wykorzystają natomiast molekuły barwnika, które mogą pochodzi również z naturalnych źródeł takich jak na przykład ekstrakty roślinne, z innym powszechnie wykorzystywanym materiałem jakim jest tlenek tytanu. Tlenek tytanu można spotkać w wielu produktach, takich jak farby, kosmetyki, a nawet produkty spożywcze (E117). Jako półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej nie nadaje się do wykorzystanie w produkcji ogniw słonecznych, ponieważ mógłby absorbować jedynie promieniowanie z zakresu ultrafioletowego, ale pokryty molekułami absorbującymi światło widzialne bardzo efektywnie przechwytuje wzbudzone elektrony i transportuje je do elektrody. Warstwy tlenku tytanu tworzone są na przeźroczystych elektrodach, a następnie barwione poprzez zanurzenie w roztworze barwnika. Przeciw elektrodę stanowi w takich ogniwach przeźroczysta warstwa przewodzącego tlenku pokryta nanocząstkami platyny, między elektrodami znajduje się elektrolit, który przenosi elektrony uzupełniając je w molekułach barwnika. Zastosowanie dwóch przeźroczystych elektrod daje możliwość tworzenia transparentnych ogniw słonecznych, które mogą być stawiane zamiast szyb w oknach.

W ostatnim dziesięcioleciu zawrotną karierę zrobiły ogniwa wykorzystujące jako materiały absorbujący światło kryształy o strukturze perowskitu, stąd też nazwa ogniwa perowskitowe. Najczęściej stosowane są trihalogenki ołowiowo-metyloaminowe lub związki o podobnej budowie, w których ołów zastępowany jest innymi pierwiastkami. Dużymi atutami perowskitowych ogniw słonecznych jest niewielki koszt produkcji oraz bardzo wysoka sprawność, która od czasu pierwszych prac niemal się podwoiła i osiąga teraz wartość około 25% dorównując najlepszym ogniwom krzemowym. Jednym z liderów technologii ogniw perowskitowych jest polska firma Saule Technologies, która w ostatnim czasie ogłosiła, że jako pierwsza w świecie otwiera linię technologiczną produkującą tego typu ogniwa metodą druku atramentowego.

Małe przydomowe instalacje fotowoltaiczne już dzisiaj nikogo nie dziwią, wraz ze wzrostem ich ilości zaczynają się pojawiać problemy z dystrybucją energii elektrycznej jaką wytwarzają. Najwięcej energii ze słońca powstaje głównie w okresie, kiedy użytkownicy domów jednorodzinnych są w pracy, a zapotrzebowanie na nią wzrasta wieczorem, kiedy słońce już nie operuje tak w środku dnia. Optymalnie byłoby, gdyby można produkować taką energię tam, gdzie jest ona najbardziej potrzebna w środku dnia, np. w biurowcach, powierzchnia dachów takich budynków jest jednak stosunkowo niewielka i na dodatek często zajęta przez elementy instalacji zapewniających wentylację wewnątrz. Stąd narodził się pomysł, aby urządzenia fotowoltaiczne montować na fasadach budynków bez szkody dla ich estetyki. Idea integrowania elementów fotowoltaicznych z konstrukcją budynku już na etapie projektowania (Building Integrated Photovoltaics) zdobywa sobie coraz większą popularność, a jednym z liderów europejskich na tym rynku jest polska firma ML System. Różnorodność technologii wytwarzania urządzeń fotowoltaicznych daje szerokie możliwości tworzenia elementów, mogłyby zastąpić tradycyjne materiały stosowane w budownictwie jednocześnie produkując prąd i nie muszą to być nudne niebieskawe płytki pokryte cienkimi drucikami.

Prof. dr hab. Jakub Rysz
Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego
Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ