Pozyskiwanie energii ze słońca nazywane potocznie fotowoltaiką (foto oznacza światło, wolt to jednostka napięcie elektrycznego; zjawisko zamiany światła na prąd elektryczny) to temat niezwykle rozległy. Działanie dzisiejszych fotoogniw jest znacznie bardziej złożone, a ich zastosowanie wykracza poza gospodarstwo domowe. Sprawą badają także naukowcy z UAM. Czego dotyczą ich badania?
W skali globalnej Słońce dostarcza do Ziemi w ciągu godziny tyle energii, ile ludzkość zużywa w ciągu całego roku. Dlaczego więc nie jest to podstawowe źródło energii? Zgodnie z prawami fizyki jesteśmy w stanie przetworzyć w pojedynczym urządzeniu maksymalnie około 30% tej energii. Obecnie te najbardziej wydajne moduły wykorzystują zaledwie 10% energii słonecznej.
– Można nieco przewrotnie powiedzieć – mówi prof. UAM Marcin Ziółek z Wydziału Fizyki UAM – że wszystkie nasze paliwa kopalne pochodzą ze Słońca. Dzięki energii słonecznej rośliny przez miliony lat w procesie fotosyntezy przetwarzały dwutlenek węgla na organiczne odmiany węgla, dzięki czemu mamy złoża węgla kamiennego, ropy naftowej i gazu ziemnego. Są takie ciekawe rozważania na ten temat, które mówią, że gdybyśmy spalili wszystkie pokłady paliw kopalnych, to z powrotem zabrakłoby nam tlenu na Ziemi. Jeśli popatrzymy na prognozowany rozwój zapotrzebowania energetycznego na świecie, to wszystkie kopalne źródła energii, energia wiatrowa, wodna i termalna nie są w stanie pokryć tego zapotrzebowania w całości na najbliższe 50 do 100 lat. Dlatego potrzebujemy fotowoltaiki. Patrząc filozoficznie, powinniśmy na którymś etapie rozwoju ludzkości umieć wydajnie czerpać energię bezpośrednio ze Słońca. Na razie nie jesteśmy jeszcze przygotowani na to, aby całkowicie zrezygnować z innych źródeł energii. To przejście, w zależności od sytuacji w danych krajach, powinno następować płynnie.
Co może zastąpić ogniwa krzemowe?
Fotoogniwa powstają obecnie w ponad 90 % z ogniw krzemowych, które są najstarszą technologią. Dzięki temu też najlepiej poznaną. Jest jednak stosunkowo droga. Dlatego na całym świecie naukowcy pracują nad alternatywą, która będzie tańszym rozwiązaniem.
Stosowane zamiast ogniw krzemowych bywają już fotoogniwa oparte na arsenku galu (GaAs), w tym ogniwa wielozłączowe. Niestety to są również bardzo drogie technologie, ale też dające dużą wydajność. Stosuje się je więc tylko w wybranych sytuacjach, np. jako zasilanie dla satelitów. Dlaczego? Koszt pojedynczego satelity jest tak wysoki, że priorytetem jest wydajność fotoogniwa, a nie jego cena. Stosując GaAs otrzymamy wydajność przetwarzania światła na poziomie 30 %, a nie 20 % jak dla najlepszych ogniw krzemowych. To przecież liczy się w Kosmosie.
Trwają prace nad tańszymi alternatywami
Prowadzone obecnie badania, także przez naukowców z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu mają jednak doprowadzić do stosowaniami nowych, tanich technologii. W trakcie badań nacisk kładziony jest także na przyjazny wpływ na środowisk oraz wydajność.
Technologie te w dużej części oparte są o nanomateriały oraz połączenie organicznych i nieorganicznych komponentów. Są one na etapie wyłącznie badań. Mowa o fotoogniwach organicznych, perowskitowych, barwnikowych oraz opartych o kropki kwantowe. Rocznie powstaje po kilka tysięcy publikacji na temat każdej z nich. Grupa prof. Ziółka z UAM zajmuje się fotoogniwami barwnikowymi i perowskitowymi, współpracując z kilkoma innymi badaczami z Wydziału Fizyki, Chemii oraz z Centrum NanoBioMedycznego.
Na czym polegają badania naukowców z UAM?
– Wyróżnik naszych badań to unikatowa, droga i skomplikowana aparatura, którą staramy się używać do badań fotoogniw jako próbek – mówi prof. Ziółek – Stosujemy czasowo rozdzielcze metody, w szczególności bardzo szybkie techniki wykorzystujące lasery impulsowe. Techniki te rozwijamy od wielu lat wspólnie z kolegami w Zakładzie Elektroniki Kwantowej na Wydziale Fizyki UAM, każdy z nas do nieco innych badań. Nasze najszybsze lasery mają czas trwania impulsów około 100 femtosekund. Jest to o mniej więcej tyle razy krótsze od minuty, ile minuta jest krótsza od wieku Wszechświata. Najszybsze procesy rozdzielania ładunków, które powstały wskutek pochłonięcia światła w fotoogniwach, zachodzą właśnie w takich czasach. Staramy się te badania wykonywać na pełnych, działających ogniwach, co jest naszym kolejnym wyróżnikiem. Cześć z tych ogniw powstaje na zewnątrz, w bardziej doświadczonych laboratoriach w Europie i w Polsce, ale potrafimy też je sami wytwarzać. Pełne fotoogniwo jest skomplikowanym układem, co sprawia, że wyniki badań laserowych są często trudne do interpretacji. Mierzymy parametry czasowe i wydajności szybkich procesów w ogniwach i sprawdzamy, czy te parametry korelują się z lepszymi bądź gorszymi prądami elektrycznymi, które takie fotoogniwo daje. To pozwala nam odkryć, jakie procesy są potrzebne, aby takie ogniwo działało lepiej, a jakie nie są istotne. Czasem to jest taka wręcz detektywistyczna praca. Znajdujemy poszlaki i na ich podstawie staramy się wydedukować, jaka jest prawda.
Wyścigi o wydajność
Amerykańskia agencja NREL (National Renewable Energy Laboratory) uzupełnia regularnie zestawienie najwyższych certyfikowanych wydajności dla kilkunastu technologii fotowoltaicznych.
. – W polskich warunkach trudno się z nimi porównywać, gdy brakuje dużych zespołów badawczych zajmujących się jedną tematyką – mówi prof. Ziółek. – Na przykład, mój mały zespół tworzą młodzi ludzie, głównie doktoranci, opłacani wyłącznie z naszych projektów. One wkrótce się skończą, a przy braku dalszego zatrudnienia części zespołu trudno jest kontynuować tę tematykę z całkowicie nowymi osobami. Potrzeba wielu miesięcy, a nawet lat, aby nabrać doświadczenia i wprawy w konstrukcji dobrych fotoogniw.
Chcecie dowiedzieć się więcej o fotoogniwach i technologiach, nad którymi pracuje UAM? Interesuje Was możliwość wykorzystania tych rozwiązań podczas montażu paneli fotowoltaicznych na Morasku? Zapraszamy do lektury "Życia Uniwersyteckiego". W artykule Magdaleny Ziółek znajdziecie odpowiedzi na te pytania.
Fot. A. Wykrota