Słońce: z przeszłości w przyszłość

Patrząc globalnie, w ciągu godziny Słońce dostarcza do Ziemi tyle energii, ile ludzkość zużywa w ciągu całego roku.  Jest to gigantyczna ilość, nawet biorąc pod uwagę, że zgodnie z prawami fizyki jesteśmy w stanie przetworzyć w pojedynczym urządzeniu maksymalnie około 30% tej energii. Obecnie wydajne moduły wykorzystują zaledwie 10% energii słonecznej, a to już jest bardzo dużo. – 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.

Około 95% rynku sprzedaży fotoogniw stanowią dzisiaj ogniwa krzemowe. Jest to jednocześnie najstarsza technologia, najlepiej poznana i mająca najwięcej opracowań naukowych, ale też niestety stosunkowo droga. Wprawdzie w ostatnich latach ogniwa krzemowe znacznie potaniały, ze względu na włączenie się Chin w ich produkcję, ale w wielu laboratoriach na świecie prowadzone są prace w kierunku opracowania tańszego rozwiązania.

Jeśli nie ogniwa krzemowe, to co?

W pewnych sytuacjach konkurentem ogniw krzemowych mogą być fotoogniwa oparte na arsenku galu (GaAs), w tym ogniwa wielozłączowe. Są to bardzo drogie technologie, ale dające też duże wydajności. Znajdują one zastosowanie np. jako zasilanie dla satelitów. Koszt pojedynczego satelity jest tak wysoki, że priorytetem jest wydajność fotoogniwa, a nie jego cena.
Jeśli możemy uzyskać wydajność przetwarzania światła 30% (dla GaAs ) zamiast 20% (jak dla najlepszych ogniw krzemowych), to daje gigantyczny zysk w Kosmosie.

Schodząc jednak z powrotem na ziemię, w ostatnich latach mamy rozkwit badań nad nowymi technologiami, które mają stać się bardzo tanie, przyjazne dla środowiska i jednocześnie stosunkowo wydajne. Technologie te w dużej części oparte są o nanomateriały oraz połączenie organicznych i nieorganicznych komponentów. Do takich technologii, będących na razie raczej wyłącznie na etapie badań i nazywanych często „wschodzącymi” (emerging photovoltaics), zaliczają się: fotoogniwa organiczne, perowskitowe, barwnikowe oraz oparte o kropki kwantowe. Rocznie powstaje po kilka tysięcy publikacji na temat każdej z nich. Grupa prof. Ziółka zajmuje się fotoogniwami barwnikowymi i perowskitowymi, współpracując z kilkoma innymi badaczami z Wydziału Fizyki, Chemii oraz z Centrum NanoBioMedycznego.

Czytaj też: #UAMmówi. Prof. Ryszard Naskręcki

– 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.

Historia odkrycia ogniw perowskitowych

Perowskit to materiał, który ma specyficzną naturę krystalograficzną. Pierwszym takim materiałem był minerał zbudowany z tytanianu wapnia, CaTiO₃. Został odkryty w roku 1839 przez Gustava Rosego w górach Ural i nazwany na cześć mineraloga rosyjskiego, Lwa Perowskiego.  Z czasem powstało wiele sztucznych kryształów o takiej samej budowie, a perowskity używane w fotoogniwach zamiast jednego z atomów posiadają mały kation organiczny. Decyduje to o ich bardzo dobrych własnościach optycznych, przewodzących i łatwości w wytwarzaniu. Takim materiałem zainteresował się prof.  Tsutomu Miyasaka z Japonii i to on właśnie zapoczątkował 10 lat temu badania nad ogniwami perowskitowymi. Zaczął on badać ogniwa na bazie ciekłego elektrolitu, ale były one mało wydajne, a ich trwałość wynosiła zaledwie kilka minut. Zainspirowany wynikami japońskich naukowców prof. Henry Snaith z Oxfordu wprowadził do tego ogniwa stały elektrolit. Pracował nad nim początkowo do innych fotoogniw, ale okazało się, że właśnie zastosowanie go w ogniwach perowskitowych drastycznie zwiększyło ich wydajność i trwałość. I tak rozpoczął się szybki proces ulepszania receptury i rywalizacja o otrzymanie najlepszych wydajności, w której na początku prowadziły laboratoria europejskie, a później zdominowały ją grupy azjatyckie. Aktualnie najlepsze wydajności ogniw perowskitowych wynoszą aż 25%, ale problemem jest wciąż stabilność takich rekordowych ogniw oraz fakt, że zawierają w sobie ołów.

Barwniki w fotoogniwach

Fotoogniwa barwnikowe, a ściślej sensybilizowane barwnikami, pojawiły się po raz pierwszy prawie 30 lat temu dzięki prof. Michaelowi Greatzelowi ze Szwajcarii. Ich wydajności konwersji światła słonecznego nie są bardzo wysokie, bo wynoszą obecnie do 14%, ale ostatnio w ich badaniach pojawił się mały renesans. Okazało się, że te ogniwa mają bardzo dużą wydajność przy słabym sztucznym oświetleniu wewnątrz budynków, rzędu 100 luksów, przy którym większość innych technologii bardzo kiepsko sobie radzi.  Daje to potencjalnie duże możliwości zastosowań np. w bardzo obecnie modnym Internecie rzeczy (IoT –Internet of Things), czyli zespołach urządzeń użytkowych i domowych, podłączonych do sieci. Muszą one mieć swoje własne zasilanie, tak aby możliwe było ich sterowanie zdalne. Tanie i ekologiczne fotoogniwa barwnikowe mogą bardzo dobrze sprawdzić się w tym wypadku, zastępując baterie, które trzeba wymieniać.

Wyścigi o wydajność

Amerykańskia agencja NREL (National Renewable Energy Laboratory) uzupełnia regularnie zestawienie najwyższych certyfikowanych wydajności dla kilkunastu technologii fotowoltaicznych. Oczywiście wszyscy, którzy zajmują się takimi badaniami, chcieliby znaleźć się na takiej liście, a w wyścigu uczestniczą największe laboratoria na świecie. – 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.

Ostatnio wiele mówi się o montażu paneli fotowoltaicznych na poznańskim Morasku. Może jest to dobra okazja, aby wykorzystać wiedzę i doświadczenie uniwersyteckich naukowców zajmujących się fotoogniwami? Prof. Marcin Ziółek jest w tym względzie sceptyczny. – Gdyby rzeczywiście pomyśleć strategicznie i połączyć nasze siły, może rzeczywiście byłaby to okazja, aby przy montażu układów komercyjnych testować też nasze prototypy. Wymagałoby to jednak współpracy wielu jednostek i dużego nakładu środków finansowych. W Polsce mamy z jednej strony finansowanie badań zupełnie podstawowych, z drugiej badań, które powinny się kończyć wdrożeniem. W przypadku fotowoltaiki pomiędzy tym jest jednak duża przepaść, którą muszą wypełnić pośrednie, zorientowane aplikacyjnie badania. Poza tym naukowcy to nie są łatwe zwierzęta do tresowania, każdy chce uprawiać swoją działkę, którą się zajmuje od wielu lat. Żadne odgórne zarządzenia nic tu nie pomogą; chyba, że pójdą za tym duże pieniądze.

zob.też materiały filmowe:

Z Życia Uniwersytetu 

http://usf.amu.edu.pl/filmoteka/z-ycia-uniwersytetu/z-ycia-uniwersytetu-odcinek-171

CZYSTA ENERGIA - Słońce