Menu

Budowa ogniw fotowoltaicznych

Co to jest fotoogniwo?

 

Ogniwa fotowoltaiczne,  ogniwa słoneczne lub fotoogniwa są to urządzenia, które zamieniają energię promieniowania słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną.

 

Budowa ogniw fotowoltaicznych

 

Większość obecnie produkowanych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na półprzewodnikowych złączach p-n. Ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej i drugiej naładowanej dodatnio. Światło słoneczne padając na ogniwo słoneczne inicjuje reakcję fizyczną, w efekcie której powstaje prąd stały. Jako, że większość urządzeń elektrycznych i sieć energetyczna wykorzystuje prąd zmienny, wyprodukowany prąd stały musi zostać przekonwertowany do prądu zmiennego o właściwym napięciu. Proces ten jest dokonywany za pomocą przetwornika zwanego falownikiem.

 

Opis zjawiska - aby zrozumieć proces powstawania prądu w ogniwie fotowoltaicznym musimy przypomnieć sobie z fizyki naturę światła. Zgodnie z teorią Einsteina, o falowo korpuskularnej naturze promieniowania, światło słoneczne możemy  traktować jako fale rozchodzące się w przestrzeni z pewną częstotliwością, lub strumień fotonów (kwantów), z których każdy niesie energię. Fotony zderzając się z elektronami przekazują im całą niesioną przez siebie energię, przy czym przy odpowiednio dużej jej wartości dochodzi do zjawiska fotoemisji, czyli wybicia elektronów z orbit atomowych. Atom który stracił elektron uzyskuje ładunek dodatni "+e", a miejsce w którym brakuje elektronu nazywamy dziurą (-e).  Zjawisko fotoemisji elektronów zachodzi najszybciej w atomach posiadających dużą ilość tzw. elektronów walencyjnych, poruszających się po orbitach najdalej położonych od jądra. Przykładem takiego pierwiastka jest krzem, który posiada na ostatniej powłoce 4 elektrony walencyjne. Krzem chociaż nie jest metalem, ma zdolność do przewodzenia prądu. Przewodność ta jest jednak niewielka, dlatego w technice wykorzystuje się krzem modyfikowany, jako półprzewodnik typu "n" i "p". Półprzewodnik typu n (negative) uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu domieszek pięciowartościowych, czyli takich, które posiadają o 1 elektron walencyjny więcej od krzemu (np. fosfor, arsen, antymon). Ten piąty elektron z powodu braku pary nie będzie brał udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Będzie słabo związany z jądrem, a więc niewielka ilość energii będzie potrzebna, aby zerwać to wiązanie.

Półprzewodnik typu p (positive) uzyskuje się analogicznie poprzez dodanie do kryształu pierwiastków trójwartościowych (np. bor, ind, glin), co spowoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalencyjnych w sieci krystalicznej i powstanie dziur elektronowych.

Przy połączeniu ze sobą obu półprzewodników powstaje między nimi różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd. Jego wartość jest niewielka, ale jeśli doprowadzimy do układu energię fotonów różnica potencjałów gwałtownie wzrośnie.

 

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki krzemowej. Na górnej powierzchni płytki umieszczona jest elektroda zbierająca elektrony w postaci siatki, a na dolnej nanoszona jest elektroda dolna w postaci warstwy metalicznej

 

 

Pojedyncze ogniwa krzemowe wykonywane są o wymiarach 4x4", 5x5" i 6x6", czyli 10x10 do 15x15cm i są w stanie wygenerować prąd o mocy od 1-6,97 W. W praktyce wielkość energii uzyskanej z jednego ogniwa nie przekracza zwykle 4 W. Ogniwa łączy się szeregowo i równolegle w baterie (panele fotowoltaiczne). Jeden panel jest juz w stanie wygenerować moc dochodzącą do 300W.

 

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

 

Ogniwa krzemowe (I generacji)

 

Obserwując na targach panele fotowoltaiczne, z pewnością zauważyliśmy różne kolory i kształty pojedynczych ogniw. Jest to związane z ich budową i procesem produkcyjnym. Najpopularniejsze i mające zdecydowanie największy udział w rynku to ogniwa tzw. I generacji wykonane z płytek krzemowych o grubości od 0,1-0,3mm, stąd inna nazwa grubowarstowe. Ogniwa te posiadają złącze typu n-p i wykonywane są z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego. 

Ogniwa monokrystaliczne - tworzone są z jednego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, osiągają najwyższą sprawność (do 22%)  i największą żywotność, ale są kosztowne. Mają obecnie największy udział w rynku. Wytwarzanie ogniw monokrystalicznych wymaga wyprodukowania pojedynczych kryształów krzemu. W praktyce stosowany jest najczęściej proces Czochralskiego polegający na wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów. Zarodkiem wokół którego narasta  stopniowo kryształ krzemu wykonany jest z krzemowego pręta. Tygiel w którym znajduje się hodowany kryształ może być dodatkowo wprowadzony w ruch obrotowy aby polepszyć rozkład temperatur. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.

 

folowo8.jpgfolowo30.jpg

Fot. Proces wzrostu kryształów krzemu zachodzi w temperaturze 1400 C (po prawej), po lewej gotowe pręty krzemowe do pocięcia na płytki.

 

Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest następnie za pomocą lasera na płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n).

Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. 

 

 

   

 

Rys. Pojedyncze ogniwo monokrystaliczne i fragment panelu.

 

Ogniwa polikrystaliczne -  produkowane są z oszlifowanych płytek krzemowych ułożonych nieregularnie względem ich struktury krystalicznej. Koszt produkcji ich jest znacznie mniejszy i mniej energochłonny, dzięki czemu są tańsze od monokrystalicznych jednak posiadają mniejszą sprawność. Posiadają niebieski kolor oraz mają wyraźnie zarysowane kryształy krzemu przypominające szron. Ze względu na niską cenę obecnie są najczęściej stosowanymi fotoogniwami na rynku. Produkcja polikryształów zachodzi w specjalnych formach, gdzie kryształy krzemu są najpierw topione, a następnie po wystudzeniu cięte na prostokątne płytki o grubości <0,2mm. Dalsza obróbka polega na:

- szlifowaniu płytek

- nałożeniu ścieżek prądowych metodą druku sitowego

- nałożenie warstwy antyodblaskowej

Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi 15-18%. Jest więc niższa niz ogniw monokrystalicznych, ale jednocześnie tańsza w produkcji. Koszt wyprodukowania ogniwa polikrystalicznego wynosi 2,3zł/W podczas gdy monokrystalicznego 2,5zł/W.

Fot. Pojedyncze ogniwo polikrystaliczne i fragment panelu.

 

 

Ogniwa II generacji

 

Są także zbudowane w oparciu o złącze n-p jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego (a-Si).

Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 0,001-0,08mm, stąd inna nazwa ogniwa cienkowarstwowe. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany. Ogniwa PV II generacji nie mają ściśle zdefiniowanego materiału z którego są wykonane. Jego struktura może być krystaliczna, jak i amorficzna. Ważniejszy jest proces ich produkcji metodą cienkowarstwową poprzez:

- napylanie

- naparowywanie

- epitaksję

Mniejsza grubość warstwy absorbera promieniowania słonecznego powoduje krótszą drogę promienia w materiale, wymuszając aby absorpcja przebiega szybciej, możliwie blisko powierzchni ogniwa. Determinuje to zastosowanie do produkcji tej warstwy materiałów posiadających własności absorpcyjne jak: tellurek kadmu, azotek indu, fosforek indu, itp.

 

Ogniwa III generacji

 

Nie posiadają już klasycznego złącza typu p-n, mechanizm powstawania w nich ładunku elektrycznego jest charakterystyczny dla danego procesu i rozwiązania i ma charakter nowatorski. Obecnie wyróżnia się co najmniej pięć typów takich ogniw:

- ogniwa w układach koncentrujących światło (koncentratory PV)

- wysokosprawne wielozłączowe struktury półprzewodnikowe

- ogniwa uczulane barwnikiem

- ogniwa organiczne OPV

- inne ogniwa np. perowskitowe

Ogniwa III generacji nie mają obecnie większego zastosowania z uwagi na ich nadal krótki czas pracy i często niską sprawność.

 

Charakterystyka wybranych ogniw

 

Ogniwa krzemowe monokrystaliczne

Posiadają ciemny jednolity kolor, maja największy udział w rynku. technologia ich produkcji została opisana powyżej. Ogniwa monokrystaliczne mają bardzo wysoką sprawność dochodząca obecnie do 20% i więcej. Osiągają ja jednak tylko w słoneczne, bezchmurne dni. Przy zachmurzeniu ich wydajność bardzo spada. Inną wadą tego typu ogniw jest duży wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury wynoszący zwykle od 0,4-0,5%/ºC.

Z krzemu monokrystalicznego produkowane są także ogniwa z heterozłączem, które oprócz krzemu monokrystalicznego posiadają także dwie cienkie warstwy krzemu amorficznego (ogniwa typu HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Rozwiązanie takie zapewnia wysoką sprawność dzięki absorbowaniu także światła rozproszonego niskoenergetycznego, występującego w pochmurne dni.

Ogniwa typu HIT

  Moduł Sanyo HIT-N230 zademonstrowany  podczas konferencji prasowej Sanyo Electric Solar Division    opiera się na wykorzystaniu pojedynczej warstwy monokrystalicznego krzemu typu n,  sąsiadującej

 z bardzo cienkimi warstwami krzemu amorficznego typu n z jednej strony, oraz typu p z drugiej strony. Ogniwa typu Hit ma sprawność na poziomie 22,8% i grubość jedynie 98μm. Tak cienkie ogniowo zmniejsza koszty produkcyjne,  czyli główną barierę popularyzacji tej drogi pozyskiwania zielonej energii.   Technologia wytwarzania tego typu ogniw pozwala na stosowanie niskich temperatur,  co powoduje tylko nieznaczną dyfuzję zanieczyszczeń do płytki bazowej w trakcie napylania poszczególnych warstw.  Zaletą ogniw jest dużo wyższa wydajność przy wysokich temperaturach ale również wyższa efektywność przy typowych warunkach pracy.  Moduł Sanyo N230 cechuje sprawność, tj. stosunek energii przetworzonej do energii dostarczonej na poziomie 20,7 %.  Tak wysoki wynik udało się uzyskać dzięki zwiększeniu liczby połączeń elektrycznych pomiędzy poszczególnymi ogniwami,  jednocześnie zmniejszając ich przekrój.  Ponadto ogniwa zostały pokryte warstwą srebra, co wpłynęło na zmniejszenie stopnia rozproszenia i odbicia światła. Moduły Sanyo N230 trafiły do sprzedaży detalicznej w Japonii jesienią 2010 roku, a w Europie na początku 2011 roku

Firma Sanyo produkuje ogniwa typu HIT w kształcie klasycznym i zmodernizowanym do kształtu plastra miodu (Honeycomb Design – HD). To ostatnie rozwiązanie pozwala w bardziej wydajny sposób wykorzystać kryształy krzemu.

Fot. Wygląd panelu Sanyo HIT H250E01

All Back Contact

Innym rozwiązaniem ogniw monokrystalicznych o wysokiej sprawności są ogniwa typu All Back Contact posiadające obie  elektrody z tyłu ogniwa.  W tego typu ogniwach nie widać na przedniej ściance charakterystycznych nitek elektrod, bowiem obie elektrody umieszczone są na tylnej ściance ogniwa. Pozwala to na większą powierzchnię absorpcji promieniowania i osiąganie sprawności na poziomie ponad 22%.  Są to obecnie najwydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne w produkcji komercyjnej na świecie. Ich wadą jest skłonność do polaryzacji co prowadzi do degradacji indukowanym napięciem PID (Potential Induced Degradation).  

Rys. Budowa ogniwa Back kontact.

Fot. Wygląd ogniwa po lewej -od tyłu, po prawej od frontu.

 

 

    Ogniwa amorficzne - wykonane są z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu dyfundowanego wodorem w il ości 8-12%  (a-Si:H). Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-8% oraz niską ceną. Produkcja ogniwa polega na nakładaniu cienkich warstw krzemu na szkle, stali nierdzewnej lub tworzywach sztucznych. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu. Są powszechnie stosowane w kalkulatorach. Grubość warstwy krzemu naniesionej na taflę szklaną wynosi tutaj do 2 mikronów.  Wydajność amorficznej baterii słonecznej krzemowej zazwyczaj spada w ciągu pierwszych sześciu miesięcy pracy (tzw. efekt Staeblera-Wrońskiego SWE). Spadek ten może wynosić od 10% do 30% w zależności od jakości materiału i konstrukcji urządzenia. Większość tej straty ma wpływ na współczynnik wypełnienia FF, który spada z początkowej wartości 0,7 do 0,6.. Po tym początkowym spadku efekt osiąga równowagę i powoduje niewielką degradację. Poziom równowagi zmienia się wraz z temperaturą roboczą tak, że wydajność modułów w miesiącach letnich nieco poprawia  się i ponownie spada w miesiącach zimowych. Większość dostępnych w handlu modułów a-Si ma degradację SWE w zakresie 10-15%, a dostawcy zazwyczaj określają wydajność w oparciu o wydajność po ustabilizowaniu się degradacji SWE.  Powoduje to, że "świeżo" zamontowane moduły z krzemu amorficznego generują znacznie wyższe moce w początkowym okresie pracy, co może stanowić 

problem dla falowników. folowo35.jpg

   Problem niskiej sprawności paneli z krzemu amorficznego rozwiązano wprowadzając:

- nanokrystaliczny krzem zamiast amorficznego krzemu
- pracę w wyższej temperaturze. Można to osiągnąć przez włączenie PV do fotowoltaicznego termicznego hybrydowego kolektora słonecznego (PVT). PVT może pracować w wyższych temperaturach niż w przypadku standardowych PV,  poprawia to wydajność o ~ 10%. 
- konstrukcję wielozłączową, zawierającą materiały ułożone jeden na drugim i absorbujące różne części spektrum promieniowania. Zapewniło to uzyskanie wysokich sprawności 17-24%.

Zaletą ogniw amorficznych jest stosunkowo wysoka sprawność w pochmurne dni dzięki absorpcji niskoenergetycznego promieniowania, co zapewnia mały spadek mocy paneli amorficznych w porównaniu do monokrystalicznych przy silnym zachmurzeniu. 

 

Ogniwa wielozłączowe

Wykonane są z mieszaniny pierwiastków np. miedzi, indu, galu, selenu. W technologii produkcji wykorzystuje się nanoszenie warstwowe. W przypadku ogniw CIGS także metodę przemysłowego druku. W tej technologii moduł PV zbudowany jest najczęściej z jednego dużego ogniwa

Sprawność powyższych ogniw wynosi odpowiednio:

- moduły CdTe - 12-14% (ostatnie dane z 2016 roku firmy First Solar największego światowego producenta mówią już o średniej sprawności rzędu 16,6%)

- moduły CIGS - 13-16%

- moduły z krzemu amorficznego a-Si - 6-8%  

Rys. Budowa ogniwa CIGS.

 

Najlepszym obecnie pod względem sprawności materiałem używanym przy produkcji fotoogniw jest arsenek galu (GaAs), osiągający sprawność na poziomie 35%. Jednakże z powodu bardzo drogich technologii nie ma praktycznego zastosowania w przemyśle, prototypowe instalacje zastosowano tylko w kosmonautyce. Schemat struktury CIGS przedstawiono na rys. obok. Warstwę absorbera otrzymuje się przez termiczne naparowanie z czterech źródeł na pokryte metalem szkło sodowe. Metalizacja ta to tylny kontakt omowy ogniwa, do którego
podłączone są przewody odprowadzające prąd i stanowi ją cienka warstwa molibdenu –
metalu dającego omowy kontakt z CIGS.

 

 

 Ogniwa barwnikowe (DSC lub DSSC)

Należące do tej grupy ogniwa bazują na odwracalnym procesie fotochemicznym. Absorberem jest barwnik (organiczny lub nieorganiczny) dobrze pochłaniający promieniowanie poniżej 900 nm. Między dwoma warstwami z przewodzącego tlenku (TCO) umieszcza się membranę z ditlenku tytanu nasyconą elektrolitem (roztwór jodu i jodku potasu) i barwnik. Molekuła barwnika, absorbując foton, podnosi chwilowo swoją energię (ulega wzbudzeniu) i przekazuje ją ditlenkowi tytanu w postaci swobodnego
elektronu, który transportuje ładunek elektryczny do tylnej elektrody TCO. Barwnik ulega redukcji w reakcji z elektrolitem, który z kolei powraca do stanu wyjściowego, pobierając elektron z przedniej elektrody (TCO domieszkowanej platyną). Ogniwa DSC o takiej budowie osiągają laboratoryjną sprawności na poziomie do 11 proc. (ogniwa Graetzla z barwnikiem na bazie polipirydylowych kompleksów rutenu i osmu).

Rys. Budowa ogniwa barwnikowego.

Niewątpliwą zaletą ogniw uczulanych barwnikiem jest niewielka wrażliwość na
zmianę temperatury, wadą zaś konieczność stosowania ciekłego elektrolitu ograniczającego znacznie ich żywotność. Rozwiązaniem tego problemu może być kompromis w zakresie sprawności i trwałości uzyskiwany przez zastosowanie polimerowego elektrolitu żelowego lub rezygnacja z elektrolitu na rzecz stałego półprzewodnika typu p. Potencjał rozwoju technik realizacji ogniw DSC tkwi w niskich kosztach procesu technologicznego i materiału (głównie
absorbera) oraz możliwości zastosowania odnawialnych związków organicznych.  

Pozwalają na zastosowanie w elementach transparentnych jak szyby wystawowe, świetliki

folowo7.jpg

Ogniwa organiczne

Oparte są na organicznych materiałach półprzewodnikowych (polimerach, oligomerach, dendrymerach), w których podczas absorpcji promieniowania dochodzi do powstawania ekscytonów – par związanych ze sobą ładunków o przeciwnych biegunach. Proces dysocjacji (rozbicia) ekscytonu uwalnia ładunki i umożliwia ich migrację w kierunku elektrod. Do separacji dochodzi w rejonie styku metal – organiczny półprzewodnik, a także na styku materiału organicznego donorowego i akceptorowego. Ogniwa wykonywane są w technice cienkowarstwowej na podłożach szklanych z przednią elektrodą TCO i tylną aluminiową, pełniącą również funkcję zwierciadła. Absorber organiczny może być realizowany w postaci
pojedynczej warstwy polimeru, dwóch warstw różnych polimerów z heterozłączem lub ich mieszaniny (heterozłącze – przestrzenne), a także wielowarstwowo. Sprawności ogniw heterozłączowych
wynosi przeciętnie od 0,007 do 1 proc., a w przypadku skomplikowanych struktur wielowarstwowych dochodzi do 5 proc. Najważniejszymi atutami ogniw organicznych są: ich znakomita absorpcja
dochodząca do 90 proc. na drodze zaledwie 100 nm, nietoksyczność oraz bardzo niskie koszty produkcji. Największe wady to: złożony proces generacji swobodnych nośników ładunku, wysokie
straty wewnętrzne, duże ryzyko uszkodzenia w wysokiej temperaturze i niestabilność parametrów w perspektywie długiego czasu użytkowania.

W kraju ogniwa organiczne produkowane są przez firmę Konarka pod nazwą "Power plastic"

 Fotoogniwa power plastic produkowane są ze specjalnego polimerowego atramentu metodą nadruku. Ich wydajność energetyczna jest mała i nie przekracza 6%, podobnie jest z trwałością, szacowaną na 5 lat (krzemowe do 30 lat). Zaletą rozwiązania jest możliwość wykonania dowolnej struktury ogniwa i umieszczenia go na każdej powierzchni o nietypowym kształcie.

Fot. Po lewej Ogniwo Konarka.

 Ogniwa obustronne

To rozwiązanie do wąskiego stosowania, dla barierek, szyb wystawowych, ogrodzeń. Ogniwo obustronne posiada warstwy przednią i tylko do absorbowania energii słonecznej. Zwykle konwersja promieniowania strony przedniej jest wyższa niż tylnej. Ogniwa tego typu pozwalają zagospodarować energię światła odbitego. W szczególnych warunkach (kat padania promieni) zysk z ich zastosowania może sięgać od 5-50%. Największą sprawność uzyskują zwykle tam, gdzie panel ustawiony musi być pod kątem 90 do podłoża, a słońce wykonuje długa wędrówkę po niebie.

Rys. Po lewej, ogniow obustronne, budowa. U dołu wygląd pojedynczego ogniwa i przykładowe zastosowanie w szybie wystawowej.

 

 

Ogniwa wykorzystujące inne zjawiska
Trwają badania nad wykorzystaniem w konwersji fotowoltaicznej nanostruktur kwantowych (studnie, druty i kropki kwantowe), które umożliwiłyby absorpcję większej ilość energii niesionej przez strumień światła białego bez strat związanych z występowaniem dla danego materiału maksimum czułości tylko dla promieniowania o określonej długości. Poprzez zmiany wymiarów nanostruktur kwantowych można je uczulać na konkretne długości fal – podobnie jak poprzez zmianę barwnika w ogniwach uczulanych
barwnikiem. Przewaga nanostruktur wynika z możliwości jednoczesnego uczulenia ogniwa na kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt różnych długości fal. Wytwarzanie struktur kwantowych od kilku
do kilkudziesięciu nanometrów jest możliwe tylko przy zastosowaniu bardzo drogich i ściśle kontrolowanych metod epitaksjalnego wzrostu warstw krystalicznych (np. epitaksji z wiązek molekularnych). Koszt może być jednak zniwelowany przez wysoką sprawność ogniw używanych w układzie z koncentratorami. Struktury kwantowe mogą być stosowane zarówno w celu poprawy sprawności krystalicznych ogniw I generacji, jak również w nowych technologiach, np. z elektrolitycznym nośnikiem ładunku.

Rys. Budowa ogniwa z kropkami kwantowymi.

Na bazie kropek kwantowych zbudowanych jest wiele urządzeń, w tym tranzystory, diody elektroluminescencyjne, lasery, znaczniki medyczne, nośniki leków, ogniwa barwnikowe DSSC (z ang. dye sensitized solar cells). Badacze z LANL oraz UNIMIB zaprojektowali i wykonali tzw. luminescencyjny koncentrator energii promieniowania słonecznego (z ang. luminescent solar concentrator, LSC). Aparatura w formie płyty lub folii polimerowej zawiera centra luminescencyjne, dzięki którym padające promieniowanie słoneczne jest absorbowane. Polimerowa matryca koncentratora pracuje jak światłowód. Ograniczają ją krawędzie, gdzie umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Zaabsorbowane przez centra (kropki) promieniowanie przesyłane jest do krawędzi koncentratora, gdzie następnie ulega ono konwersji na energię elektryczną. Centra działają jak zbiór pochłaniających światło anten, które skupiają promieniowanie słoneczne zebrane z dużego obszaru na znacznie mniejszą powierzchnię ogniw PV umieszczonych po bokach. Przekłada się to na znaczne zwiększenie intensyfikacji produkcji energii.

Innowacyjne urządzenie oparte na kropkach kwantowych posiadało wywołane sztucznie, duże oddzielenie pasma absorpcji od pasma emisji (tzw. duże przesunięcie Stokesa). Kropki kwantowe zbudowane były ze struktur selenku kadmu i siarczku kadmu (CdSe/CdS). Absorpcja światła odbywała się przez stosunkowo grubą powłokę z CdS, a emisja następowała dzięki wnętrzu z CdSe. Rozdzielenie funkcji absorpcji i emisji światła między dwoma elementami nanocentrum luminescencyjnego, znacznie zmniejszała straty podczas ponownego wchłaniania promieniowania.

Rys. Zasada działania ogniwa z kropkami kwantowymi (Kropki kwantowe absorbują promieniowanie i transportują je przez matrycę z tworzywa sztucznego PMMA do ogniw PV na krawędziach)

Tak działające kropki kwantowe umieszczono w przezroczystej polimerowej płycie z polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach odpowiadających standardowym szybom. Pomiary spektroskopowe nie wykazały praktycznie żadnych strat podczas przesyłu promieniowania na odległości kilkudziesięciu centymetrów. Ponadto, badania z zastosowaniem symulowanego promieniowania słonecznego dowiodły, że urządzenie posiadało wydajność pochłaniania fotonów na poziomie około 10% (dla oka ludzkiego płyta z kropkami kwantowymi była przezroczysta jak tradycyjna szyba).

Perowskity -  to materiały o specyficznym ułożeniu siatki krystalicznej. Ich właściwości nie determinuje skład, lecz struktura ułożenia atomów. Nazwę zawdzięczają rosyjskiemu geologowi Lwu Perowskiemu, którego znajomy, Niemiec Gustav Rose, jako pierwszy sklasyfikował ten charakterystyczny układ atomów na podstawie tytanianu wapnia występującego w skałach Uralu. Wydarzyło się to ponad sto lat temu i od tamtej pory wszystko, co ma taki sam układ atomów jak tytanian wapnia, jest nazywane perowskitem.

Jak nietrudno się domyślić, jest bardzo dużo różnego typu perowskitów. Jedne występują w naturze (np. w skałach, magmie), inne można wytwarzać w laboratoriach w procesie syntezy chemicznej. Najbardziej interesujące są tzw. perowskity hybrydowe. Oznacza to, że są materiałem po części organicznym, a po części nieorganicznym. Takie połączenie w naturze występuje bardzo rzadko i daje w rezultacie niezwykle unikalne właściwości.

Perowskity są świetnymi pochłaniaczami światła. Lepszymi nawet niż dotychczasowy champion arsenek galu, który z kolei jest znacznie lepszy od najbardziej popularnego dzisiaj krzemu. Dzięki temu są w stanie pochłonąć światło w ultracienkich warstwach. Zmniejsza to przynajmniej trzykrotnie zużycie materiału niezbędnego do wyprodukowania takiego ogniwa. Jako że ów materiał wytwarzany jest w procesie syntezy chemicznej z bardzo tanich materiałów startowych, zasoby są, tak jak w przypadku krzemu, teoretycznie nieograniczone. Bardzo praktyczne jest również to, że ogniwa można wytwarzać w procesie mokrej chemii. To znaczy, że na przykład można taki perowskit po prostu nadrukować.

Sprawność fotoogniw na bazie perowskitów dochodzi do 20%. Jednak nie to jest najcenniejsze, jest to bowiem materiał, który daje sie nakładać na niemal każdą powierzchnię. Wykorzystując tę technologię niedługo będziemy mogli wykonać fotoogniwo nie tylko na fragmencie dachu ale wręcz na całym dachu. Ogniwem będzie pokryta perowskitem dachówka, czy cała szyba w oknie. Ogniwem może być obudowa laptopa, kadłub jachtu, itp. możliwości są niemal nieograniczone.  Rozwojem technologii zajmuje się polska firma Saule Technologies.

  Rys. Struktura krystaliczna perowskit

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});