Nanotechnologia

Nanotechnologia w fotowoltaice – szansa na zieloną przyszłość?

Serdecznie zapraszamy do lektury artykułu naszego wolontariusza Michała Wełny.

O Autorze

Michał Wełna student trzeciego roku Nanotechnologie i Nanomateriały na Politechnice Krakowskiej. Aktywnie działa w kole naukowym „Nanowo”, zajmującym się badaniem metod wytwarzania nanomateriałów m.in. do zastosowań w fotowoltaice. Interesują go nowinki ze świata nauki i techniki, dlatego często czyta czasopisma naukowe i popularnonaukowe. Ponadto w wolnym czasie amatorsko gra na gitarze elektrycznej.

Zarówno zwiększające się zapotrzebowanie energetyczne ludzkości, jak i postępujący wzrost świadomości zagrożeń wynikających z użycia paliw kopalnych są siłą napędową dla rozwoju nowoczesnych rozwiązań energetycznych. W szczególności w obszarze tzw. odnawialnych źródeł energii (w skrócie OZE).

Jedną z najprężniej rozwijających się form OZE jest fotowoltaika, która umożliwia konwersję światła słonecznego na energię elektryczną. Za pomocą urządzeń zwanych ogniwami fotowoltaicznymi (lub zamiennie ogniwami słonecznymi). Obecnie dostępne komercyjnie ogniwa słoneczne stosunkowo dobrze radzą sobie na rynku energetycznym. Pomimo dość ograniczonej sprawności konwersji odnoszą sukces ekonomiczny, a ich udział w globalnej produkcji energii z roku na rok rośnie¹. Mają one jednak pewne ograniczenia, m.in. ich wydajność jest zależna od warunków pogodowych. Z kolei założenie instalacji fotowoltaicznej wymaga dokonania inwestycji w nową infrastrukturę. Wady te nie pozwalają fotowoltaice w pełni konkurować z klasycznymi źródłami energii, takimi jak węgiel i ropa naftowa, które są wydajne niezależnie od pogody oraz (na razie) powszechnie dostępne i łatwe w transporcie².

Dwie najważniejsze cechy ogniw słonecznych, nad którymi nieustannie pracują badacze z całego świata, to większa wydajność oraz niższe koszty produkcji. Co ma przełożyć się na zwiększenie dostępności i obniżenie cen energii pozyskiwanej ze Słońca. Nie można zaprzeczyć, że w ciągu ostatniej dekady nastąpił niezwykle duży postęp w tym kierunku. Jednakże wciąż potrzebne są jeszcze wydajniejsze i tańsze ogniwa. W ostatnich latach obserwuje się wzmożone zainteresowanie wykorzystaniem do tego celu zdobyczy nowej, obiecującej dziedziny nauki – nanotechnologii.

Jak działa ogniwo słoneczne?

Aby zrozumieć, jak nanotechnologia może wspomóc branżę fotowoltaiczną, przyjrzyjmy się ogólnej zasadzie działania ogniw słonecznych. Najprościej mówiąc, typowe ogniwo składa się z dwóch elektrod, pomiędzy którymi umieszczone są dwa rodzaje półprzewodników. Jeden z nich posiada nadmiar ładunków ujemnych – ten rodzaj nazywa się półprzewodnikiem typu n. Z kolei drugi ma nadmiar ładunków dodatnich – to półprzewodnik typu p. W miejscu, gdzie stykają się dwa różne półprzewodniki, tworzy się specyficzna struktura zwana złączem p-n. Kiedy fotony światła słonecznego padają na złącze p-n, przekazują energię obecnym w złączu elektronom. Elektron, absorbując energię fotonu, przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Po wzbudzonym elektronie pozostaje luka nazywana dziurą elektronową, którą można traktować jako ładunek dodatni. Elektrony i dziury oddziałują ze sobą i tworzą pary, tzw. ekscytony, które poruszają się wewnątrz półprzewodnika. Jeśli ekscyton znajdzie się wystarczająco blisko obszaru złącza, tworzące go elektron i dziura mogą zostać rozdzielone. W zamkniętym obwodzie separowanie ładunków spowoduje przepływ prądu elektrycznego.

Schemat budowy typowego ogniwa krzemowego [źródło: https://wynalazca.tv/]

Najbardziej popularne i powszechnie dostępne ogniwa używają krzemu jako materiału półprzewodnikowego. Ogniwa krzemowe dominują obecnie na rynku ze względu na stosunkowo wysoką wydajność, relatywnie niskie koszty (przede wszystkim ze względu na to, że krzem jest najpowszechniej dostępnym półprzewodnikiem z najlepiej poznanymi metodami przetwarzania³) oraz długi czas eksploatacji. Z powodu rosnącego popytu na fotowoltaikę prace nad doskonaleniem ogniw krzemowych nieustannie trwają, jednak coraz bardziej zbliżamy się do teoretycznego limitu ich wydajności – jest to tzw. limit Schockleya-Queissera, który przewiduje maksymalną wydajność ogniwa słonecznego, dla jednozłączowego ogniwa krzemowego wynosi on 33%⁴. Dlatego, jeżeli chcemy osiągnąć przełom w energetyce słonecznej, potrzebujemy nowatorskich rozwiązań technologicznych.

Jak nanotechnologia ulepsza ogniwa słoneczne?

Na przestrzeni ostatnich kilku lat powstało wiele różnych pomysłów zastosowania nanotechnologii w branży fotowoltaicznej. Temat ten jest niezwykle szeroki (liczbę dotyczących go publikacji naukowych liczy się w tysiącach), ograniczmy się zatem do zapoznania z najważniejszymi i najbardziej obiecującymi z koncepcji nanotechnologii w fotowoltaice.

Kropki kwantowe

Jednym z intensywnie badanych nanomateriałów pod kątem zastosowania w ogniwach słonecznych są tzw. kropki kwantowe. Są to nanocząstki o średnicy zwykle poniżej 10 nanometrów o właściwościach półprzewodnikowych. W kropkach kwantowych obserwuje się zjawisko zwane uwięzieniem kwantowym – niewielki rozmiar cząstki ogranicza ruch elektronów w taki sposób, że mogą się one znajdować tylko na dyskretnych poziomach energetycznych. Kropki kwantowe posiadają szereg niezwykłych właściwości optoelektronicznych, niespotykanych w konwencjonalnych materiałach. Poprzez manipulację rozmiarem kropek możliwe jest sterowanie przerwą energetyczną – ważnym parametrem półprzewodników, który determinuje zakres promieniowania wykorzystywanego przez ogniwo słoneczne.

Roztwory kropek kwantowych o różnych rozmiarach. Zakres pochłanianego i emitowanego promieniowania zależy od rozmiaru kropek. [źródło: https://magazynfotowoltaika.pl/]

Duża część promieni słonecznych docierających do Ziemi leży w zakresie podczerwieni, a klasyczne ogniwa krzemowe mają trudności z wykorzystaniem tej części widma elektromagnetycznego, ponieważ energia fotonów nie jest wystarczająco duża, aby absorbujące ją elektrony mogły pokonać przerwę energetyczną krzemu⁵. Zastosowanie ogniw opartych na kropkach kwantowych może pozwolić na efektywne wykorzystanie szerszego spektrum promieniowania, a w konsekwencji większej wydajności. Ponadto dostępne są tanie i stosunkowo proste metody wytwarzania kropek kwantowych. Technologia ogniw słonecznych z kropkami kwantowymi jest jeszcze w fazie badań, ale zapowiada się dość obiecująco⁶.

Ogniwa DSSC

Kolejną interesującą alternatywą dla ogniw krzemowych są ogniwa barwnikowe typu DSSC (angielski skrót od Dye Sensitized Solar Cells). W urządzeniach tych wykorzystuje się warstwę nanocząstek specjalnego barwnika. Elektrony w cząsteczkach barwnika są wzbudzane przez padające światło i zbierane przez tzw. fotoelektrodę, wykonaną najczęściej z tlenku tytanu. Brakujące elektrony w barwniku są następnie uzupełniane przez elektrolit.

Budowa ogniwa typu DSSC [źródło: https://pre-epodreczniki.open.agh.edu.pl/]

Ogniwa barwnikowe oferują dobry stosunek wydajności do ceny, są proste w produkcji oraz elastyczne, co otwiera cały wachlarz nowych zastosowań niedostępnych dla ogniw krzemowych. Czynnikiem ograniczającym ogniwa DSSC jest ich podatność na degradację pod wpływem światła UV, co próbuje się niwelować za pomocą specjalnych warstw pochłaniających promieniowanie w tym zakresie. Ogniwa barwnikowe mają szansę stać się poważnym konkurentem dla tradycyjnych ogniw krzemowych, szczególnie w tych rozwiązaniach technicznych, w których pożądane są elastyczność, przezroczystość i mały ciężar – między innymi w instalacjach zintegrowanych z budynkami (np. szyby fotowoltaiczne) oraz tzw. elektronice ubieralnej (smartwatche i podobne)⁷.

Nanopowłoki

Nieco inne podejście zakłada dodatek elementów nano do już istniejących technologii fotowoltaicznych. Ciekawym przykładem są nanopowłoki, czyli cienkie warstwy ochronne, którymi można pokryć powierzchnię ogniwa. Powierzchnia nanopowłoki zbudowana jest z nanometrycznych wypustek, a przestrzenie pomiędzy wypustkami są wypełnione powietrzem. Taka struktura znacząco zwiększa kąt zwilżania powierzchni, co sprawia, że woda i inne zabrudzenia nie mogą osadzać się na powierzchni nanopowłoki i niejako staczają się z niej⁸. Nanopowłoki mogą również zapobiegać osiadaniu śniegu na powierzchni paneli słonecznych. Takie rozwiązanie pozwala zachować czystość powierzchni ogniwa, co przekłada się na absorpcję większej ilości światła i w konsekwencji lepszą wydajność, zwłaszcza w regionach, w których występują duże ilości pyłu w powietrzu (np. na terenach pustynnych) lub gdzie w okresie zimowym pojawiają się obfite opady śniegu.

Nanozłoto

Jednym z głównych kierunków rozwoju technologii fotowoltaicznych jest poprawa wydajności poprzez zwiększenie absorpcji światła. Poprawę absorpcji można osiągnąć poprzez wydłużenie drogi optycznej światła wewnątrz ogniwa (im dłużej foton przebywa w środku ogniwa, tym większa szansa, że zostanie zaabsorbowany przez elektron półprzewodnika). Do tego celu wykorzystuje się interesujące zjawisko fizyczne, zwane lokalnym powierzchniowym rezonansem plazmonowym (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR), które występuje m.in. w nanocząstkach metali szlachetnych, w tym złota. Padające światło wzbudza elektrony i powoduje ich oscylację. Przy określonej długości padającej fali, zależnej od wielkości cząstek, dochodzi do rezonansu tych oscylacji.

Dla promieni świetlnych leżących w zakresie bliskim rezonansowej długości fali obserwuje się znacząco zwiększone rozpraszanie. Poprzez odpowiedni dobór kształtu i rozmiaru nanostruktur (nanocząstek lub nanodrutów) możliwe jest efektywne uwięzienie światła wewnątrz ogniwa słonecznego, co przekłada się na wzrost wydajności⁹. Technologia ta może mieć zastosowanie zarówno w ogniwach na bazie krzemu, jak i w ogniwach nowszych generacji (DSSC¹⁰, perowskitowych¹¹).

Obrazy TEM nanocząstek złota w postaci sferycznych cząstek (a) oraz tzw. nanodrutów (b) wykonane metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). [źródło: https://link.springer.com/article/10.1186/1556-276X-8-450]

Nanotechnologia jako jedna z najbardziej zaawansowanych technik inżynierskich oferuje niesamowite bogactwo nowoczesnych rozwiązań technologicznych w wielu dziedzinach. Przytoczone przykłady pokazują, że nie inaczej jest w przypadku fotowoltaiki, a to dopiero wierzchołek przysłowiowej góry lodowej. Odrębną, aczkolwiek prawdopodobnie równie ważną kwestią jest stworzenie nowych wydajniejszych i bardziej ekologicznych technologii przechowywania energii. Tu także widzi się dużą rolę nanotechnologii, ale to już temat na osobny artykuł. Zapewne w przypadku wielu z proponowanych rozwiązań potrzeba jeszcze trochę czasu, zanim dojrzeją i staną się dostępnymi komercyjnie produktami, jednak wiele wskazuje na to, że możemy wkrótce stać się świadkami rewolucji w energetyce odnawialnej.