Jak pomóc elektronom. Nanotechnologie w fotowoltaice

Jak pomóc elektronom. Nanotechnologie w fotowoltaice
Światło słoneczne dociera na Ziemię silnie „rozcieńczone”, więc energia padająca na jednostkę powierzchni jest stosunkowo niska. Farmy słoneczne pokryte panelami z ogniwami fotowoltaicznymi kompensują to, pokrywając relatywnie duże obszary. Jest to rozwiązanie dalekie od efektywności.

Od dekad trwają prace nad zwiększeniem sprawności techniki fotowoltaicznej, co w praktyce sprowadza się do dążenia do zwiększenia produkcji użytkowej energii na jednostkę powierzchni ogniwa. Nanotechnologia nie jest jedynym polem poszukiwań, ale w ostatnich latach sprawia wrażenie techniki rozwijającej się szczególnie dynamicznie.

Obecne ogniwa słoneczne nie są w stanie przekształcić całego wpadającego światła w użyteczną energię, ponieważ część światła może uciec z powrotem z ogniwa do powietrza. Ponadto widmo światła słonecznego dzieli się na różne kolory odpowiadające zakresom fal. Ogniwo może być bardziej wydajne w przekształcaniu na energię użytkową światła w zakresach bliskich niebieskiej części spektrum, a mniej wydajne w przekształcaniu światła czerwonawego. Promieniowanie świetlnej o niższej energii przechodzi przez ogniwo niewykorzystane. Światło o wyższej energii wzbudza elektrony do pasma przewodnictwa, ale energia wykraczająca wartością poza energię przerwy pasmowej jest tracona jako ciepło. Jeśli te wzbudzone elektrony nie zostaną przechwycone i przekierowane, będą spontanicznie rekombinować z powstałymi dziurami, a energia zostanie utracona w postaci ciepła lub światła.

Nanorurki i inne przyspieszacze

Nanomateriały to materiały, których rozmiar fizyczny mieści się w przedziale 1 nm…100 nm. Materiały te mogą występować w postaci nanoprętów, nanorurek, nanocząstek, nanosfer lub nanowłókien. Wchodzą ze sobą we wzajemne wiązania, co prowadzi do niskiej temperatury topnienia, wysokiej rozpuszczalności i wysokiej stabilności chemicznej. Efekt zwany tunelowaniem kwantowym prowadzi w nich w konsekwencji do możliwości optymalizacji lub zmiany właściwości optycznych i wewnętrznych właściwości materiału, takich jak promień Bohra i zmniejszona odległość migracji. Nanomateriały mogą obniżyć koszty produkcji materiału ze względu na możliwość modyfikacji tańszych materiałów w celu dostosowania ich do celów danego zastosowania.

Nanotechnologia pokazała już ogromne możliwości w dziedzinie energii słonecznej; np. integracja wysokiej jakości warstwy nanocząstek krzemu o rozmiarze jednego nanometra bezpośrednio z krzemowymi ogniwami słonecznymi poprawia, według zwolenników tej techniki, wydajność energetyczną nawet o 60 proc. w zakresie widma ultrafioletowego. W innych zakresach mniej, ale też jest wzrost. Można zastosować też nanorurki węglowe na bazie folii z nanocząstek dwutlenku tytanu, podwajając wydajność przekształcania światła ultrafioletowego w elektrony w porównaniu z wydajnością samych nanocząstek. Bez nanorurek węglowych elektrony generowane podczas pochłaniania światła przez cząsteczki tlenku tytanu muszą przeskakiwać z cząsteczki na cząsteczkę, aby dotrzeć do elektrody.Nanorurki węglowe „zbierają” elektrony i zapewniają bezpośredni kanał dotarcia do elektrody i wysoką gęstość prądu na powierzchni ogniwa słonecznego bez większych strat.

Innym pomysłem na zwiększenie wydajności konwersji ogniw słonecznych jest zastosowanie półprzewodnikowych kropek kwantowych (1), chociaż ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi są nadal przedmiotem badań. Rozważane są półprzewodniki III/V i inne kombinacje materiałów, takie jak Si/Ge lub Si/Be Te/Se. Potencjalne zalety tych ogniw to wyższa absorpcja światła w szczególności w podczerwonym obszarze widmowym, kompatybilność ze standardowymi procesami produkcji krzemowych ogniw słonecznych, wyższe parametry prądu w wyższych temperaturach, lepsza odporność na promieniowanie w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami słonecznymi. W przeciwieństwie do konwencjonalnych materiałów, w których jeden foton generuje tylko jeden elektron, kropki kwantowe mogą przekształcać wysokoenergetyczne fotony w wiele elektronów. Elektrony przemieszczają się z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Kropki wychwytują również więcej zakresów fal światła słonecznego, zwiększając w ten sposób wydajność konwersji nawet do 65 proc.

1. Kropki kwantowe. 
Fot. stock.adobe.com

Obecnie dostępne nanotechnologiczne ogniwa słoneczne na ogół wciąż nie są tak wydajne jak tradycyjne, jednak rekompensuje to ich niższy koszt. Maksymalna sprawność konwencjonalnego krzemowego ogniwa słonecznego wynosi 33,7 proc. W dłuższej perspektywie wersje nanotechnologiczne powinny być zarówno tańsze, jak i, przy użyciu kropek kwantowych, powinny być w stanie osiągnąć wyższy poziom wydajności niż konwencjonalne.

Plazmonika i supermateriały grafenowe

Niedawno w „Nature Catalysis” zespół naukowców hiszpańskich i niemieckich przedstawił koncepcję nanoskalowego dwuwymiarowego superkryształu wykorzystującego dwa różne metale. „Najpierw tworzymy cząsteczki w zakresie 10…200 nanometrów z plazmonicznego (cechującego się występowaniem oscylującego gazu elektronowego – przyp. red.) metalu – w naszym przypadku jest to złoto”, piszą uczeni.„W tej skali światło widzialne bardzo silnie oddziałuje z elektronami metalu, powodując ich rezonansowe oscylacje”. Oznacza to, że elektrony poruszają się bardzo szybko z jednej strony nanocząstki na drugą, tworząc rodzaj minimagnesu. Uczeni nazywają to momentem dipolowym. „Można myśleć o tym procesie jako o supersoczewce koncentrującej energię. Nasze nanomateriały robią to samo co koncentratory, ale w skali molekularnej”, wyjaśniają badacze. Pozwala to nanocząsteczkom na wychwytywanie większej ilości światła słonecznego i przekształcanie go w elektrony o bardzo wysokiej energii. Te z kolei pomagają napędzać reakcje chemiczne, np. produkcję wodoru przy użyciu światła słonecznego. „Łącząc metale plazmoniczne i katalityczne, przyspieszamy rozwój silnych fotokatalizatorów do zastosowań przemysłowych. Jest to nowy sposób wykorzystania światła słonecznego, który oferuje potencjał dla innych reakcji, takich jak konwersja CO2 w substancje użytkowe”, wyjaśniają naukowcy.

W 2023 roku zademonstrowano z kolei innowacyjny nanokoncentrator promieniowania słonecznego, który wykorzystuje metamateriał grafenowy. Składa się on z układu o rozmiarach ~1,5×1,5 μm złotych komórek koncentratora, które mogą ogniskować promieniowanie słoneczne do plamki o rozmiarze 60 nm na aktywnym obszarze ogniwa słonecznego. Może działać w całym paśmie energii słonecznej do długości fali 2400 nm, co stanowi rozszerzenie zakresu długości fali konwencjonalnych ogniw słonecznych. Nanokoncentrator może zbierać i wykorzystywać również słabe promieniowanie słoneczne, które występuje między 1800 nm a 2400 nm. Grafen cechuje przezroczystość optyczna, wysoka ruchliwość elektronów, wysoka przewodność elektryczna, szerokopasmowe widmo optyczne, zdolność do domieszkowania elektrostatycznego i wysoka przewodność cieplna. Może być stosowany w ogniwach słonecznych jako powłoka antyrefleksyjna w celu maksymalizacji absorpcji energii słonecznej. Warto jednak wspomnieć, że grafen nadal ma dobrze znaną wadę – niską absorpcję optyczną na poziomie ~2,3 proc.

Warto tu wyjaśnić, że plazmonika to dziedzina związana ze zbiorowymi oscylacjami wolnych elektronów, które występują na powierzchni metali szlachetnych, takich jak złoto czy platyna. Zwykle towarzyszą im pola elektromagnetyczne o długości poniżej fali i koncentrują się z dużą intensywnością na krawędziach metalu. Dlatego połączenie metalu szlachetnego z  grafenem w strukturze nanomateriału może przezwyciężyć niską absorpcję optyczną grafenu i zwiększyć absorpcję energii.

Metamateriał grafenowy składa się z dziesięciu koncentrycznych warstw powłoki grafenowej, które są połączone krzyżowo przez pięć poziomych pierścieni grafenowych (struktury w kształcie pierścienia). Konstrukcja koncentratora wraz z konstrukcją metamateriału maksymalizuje wydajność absorpcji optycznej światła słonecznego w metamateriale grafenowym. Zmierzona absorpcja optyczna grafenu została zwiększona do 27 razy w stosunku do pierwotnej wartości, z maksymalną wartością 62 proc. i obejmowała bardzo szerokie pasmo słoneczne. Zwiększona absorpcja optyczna słabego promieniowania słonecznego odbieranego w rozszerzonym paśmie (1800…2400 nm) może sięgać nawet 50 proc. Testowane urządzenie wykazuje działanie niewrażliwe na polaryzację, co pozwala na zbieranie całego spolaryzowanego i niespolaryzowanego promieniowania słonecznego. Ma również dobre pole widzenia wynoszące 120°, co pozwala na zbieranie promieniowania słonecznego bez potrzeby stosowania dwuosiowych mechanicznych trackerów.

Nanotechnologia w ogniwach słonecznych zainteresowała m.in. wojsko. Armia Stanów Zjednoczonych zatrudniła już firmę Konarka Technologies, by pomogła zaprojektować lepszy sposób zasilania urządzeń elektrycznych żołnierzy. Według Daniela McGahna, wiceprezesa wykonawczego firmy Konarka, „zwykły żołnierz polowy nosi obecnie 0,7 kg baterii. Żołnierz biorący udział w operacjach specjalnych musi nosić ze sobą 70 kilogramów balastu, z czego połowa to baterie”. Nanotechnologia wykorzystana w  ogniwach mogłaby znacznie poprawić mobilność żołnierzy, dając im wydajne zasilanie bez wielkiego obciążenia.

To jednak przyszłość. Ogniwa fotowoltaiczne z zastosowaniem nanotechnologii są bardziej wydajne na razie głównie teoretycznie. W praktyce czeka je jeszcze sporo badań, testów i praktycznych sprawdzianów. 

Mirosław Usidus