Znajdź zawartość

Profesor Marc Baldo z Massachsetts Institute of Technology (MIT) opracował ciekawą metodę pozyskiwania energii słonecznej. Zdaniem Baldo może być ona konkurencyjna wobec energii z paliw kopalnych. Obecnie energię słońca uzyskujemy dzięki ogniwom słonecznym, skomplikowanym i drogim urządzeniom elektronicznym. Im większa powierzchnia ogniwa, tym wyższy koszt jego wytworzenia. Dlatego też produkuje się niewielkie ogniwa, a światło Słońca jest na nich skupiane przez soczewki lub lustra. To z kolei powoduje, że konieczne jest tworzenie całych złożonych systemów, które są ciężkie i wymagają użycia kosztownych systemów sterowania tak, by soczewki czy lustra były zwrócone w stronę Słońca. Baldo wpadł na inny pomysł. Pokrył on taflę szklaną różnymi barwnikami. Działają one podobnie jak światłowody, każdy z nich pochłania określoną długość fali światła słonecznego, a następnie emituje inną do wnętrza tafli szkła. Ta z kolei przesyła je w kierunku krawędzi, na których znajdują się naklejone paski z ogniwami pochłaniającymi światło i generującymi prąd. Im większa powierzchnia tafli w stosunku do jej grubości, tym więcej światła jest wychwytywane, a koszt uzyskania energii - niższy. Farby użyte przez Baldo do pokolorowania szkła powstają z obecnie dostępnych barwników. Korzystają z nich przemysł samochodowy czy elektroniczny. Ich wspólną cechą jest fakt, iż mogą być latami wystawione na działanie Słońca i nie blakną. Z proszków tworzone są barwniki w płynie, które następnie odpowiednio się miesza. To właśnie opracowanie właściwych kolorów sprawiało największą trudność. Precyzyjne dobranie składowych jest bardzo ważne. Źle dobrane spowodują, że duża ilość światła będzie pochłaniana przez sam barwnik i do krawędzi szkła dotrze go niewiele, nie będzie więc można produkować dużych tafli wytwarzających tanią energię. Baldo udało się stworzyć odpowiednie kolory, które pochłaniają jedną długość fali, ale za to emitują inną, która dociera do krawędzi. Różne długości fali niosą ze sobą różną ilość energii (ultrafiolet ma jej najwięcej, a podczerwień - najmniej). Ogniwa słoneczne są dostosowane do pracy z różnymi długościami fali. W tradycyjnym systemie pozyskiwania energii z naszej gwiazdy najbardziej pożądaną sytuacją jest taka, w której wyłapują one cały zakres długości fal. Jednak wymaga to użycia wielu ogniw i koncentratorów, co czyni cały system nieopłacalnym. Tafle szklane Baldo, dzięki odpowiedniemu malunkowi, można dostosowywać tak, by pozyskiwały energię z interesujących nas zakresów. Następnie z malunkiem można skojarzyć odpowiadające danej fali światła ogniwa słoneczne zamknięte w jednym urządzeniu. Baldo pokazuje, jak to zrobić. Najpierw odpowiednio maluje swoją taflę szklaną, tak, by pozyskiwać fale światła z zakresu "wysokich energii". Następnie umieszcza ją w ramie, w którą wkłada ogniwa słoneczne dla "wysokich energii". Pod taflą znajduje się natomiast ogniwo pracujące ze światłem od czerwonego do podczerwonego, czyli z tym, które zapewnia mniej energii. Korzyść z takiego systemu jest oczywista. Mamy pojedynczy koncentrator światła, czyli taflę szklaną Baldo, który bezpośrednio pozyskuje energię z bardziej energetycznego zakresu fal, a jednocześnie działa jako koncentrator dla położonego poniżej ogniwa pracującego ze światłem czerwonym i podczerwonym. Z wyliczeń Baldo wynika, że taki system już w tej chwili obniża koszt pozyskania energii słonecznej o 30%. Profesor Blado mówi, że dalsze obniżenie kosztów to kwestia czasu. Potrzebne są jedynie doskonalsze barwniki, przede wszystkim czerwone, które w najbliższych latach z pewnością tak czy inaczej powstaną. Ponadto z czasem będą też spadały koszty samych ogniw. Zdaniem Baldo w ciągu kilku lat jego technologia pozwoli na obniżenie produkcji elektryczności ze światła słonecznego do poziomu kosztów produkcji jej z węgla. Baldo wraz z kolegami założyli firmę Covalent Solar, która zajmie się przygotowaniem rynkowego debiutu nowej technologii. Ma ona trafić do sprzedaży w ciągu trzech najbliższych lat.

Wykorzystywanie ogniw słonecznych odbywa się na dwa sposoby: wytwarzanie prądu elektrycznego oraz wytwarzanie wodoru, który jest paliwem „czystym". Inżynierom z University at Buffalo i University of Rochester udało się stworzyć nową klasę barwników, pozwalających lepiej wykorzystywać energię słoneczną. Barwniki te nazwano tlenowcorodaminami (chalcogenorodaminami). Działanie takich ogniw typu Grätzel polega na wybijaniu przez fotony swobodnych elektronów, które tworzą napięcie elektryczne, lub (przy pomocy odpowiednich katalizatorów) rozszczepiają wodę na tlen i wodór. Chalcogenorodaminy osiągają niespotykaną do tej pory efektywność, w przypadku wytwarzania wodoru sprawdzają się doskonale zarówno w homogenicznych środowiskach produkcyjnych (z kobaltem w roli katalizatora), jak i heterogenicznych (z katalizatorami wykonanymi z platyny osadzanej na tlenku tytanu). Główni autorzy wynalazku: Michael Detty z University at Buffalo oraz Richard Eisenberg z University of Rochester opublikowali odkrycie w Journal of the American Chemical Society. Złożyli oni stosowny wniosek patentowy i uzyskali jego wstępną akceptację. Nowa technologia, jako potencjalnie opłacalna, ma duże szanse na komercjalizację i upowszechnienie.

Technologia baterii słonecznych rozwija się skokami. Najpierw były wytwarzane z krzemu w procesie wzorowanym na elektronice użytkowej. Później zaczęto stosować cienkie krzemowe błony, lepiej dostosowane do wychwytywania promieni słonecznych. Jeszcze później pojawiły się różne kierunki rozwoju, jedne skoncentrowane na maksymalnym zwiększeniu efektywności - zwykle jednak drogie, inne zaś na jak największym obniżeniu kosztu produkcji. Ram Mehra z indyjskiego Sharda University zaproponował tanią technologię zwiększenia efektywności ogniw słonecznych z wykorzystaniem powszechnie dostępnych barwników. Wspólnie ze współpracownikami z University of Delhi, Ram Mehra pracował nad zwiększeniem efektywności tanich baterii słonecznych opartych na tlenku cynku. Pomysł indyjskich uczonych opiera się na wykorzystaniu substancji używanych powszechnie na przykład w barwieniu żywności lub w medycynie. Aplikacja barwników na ogniwa słoneczne nie odbiega od procesu farbowania materiału w domowej pralce i nie wymaga żadnych kosztownych urządzeń. Zespół badawczy testował różne mieszanki pigmentów. Jedna z najlepszych receptur opiera się na zielonym barwniku spożywczym E143 (nazywanym też Fast Green FCF), używanym do barwienia żywności w puszkach, zmieszanym z 4,5,6,7-tetrachloro-2',4',5',7'-tetrajodofluoresceiną (inaczej Rose Bengal), różowym barwniku używanym w medycynie. Potraktowane taką miksturą ogniwa słoneczne działają o 8% efektywniej. Ze względu na prostotę i znikomą cenę technologii, każdy może szukać mieszanek jeszcze skuteczniejszych, lub dopasowanych do konkretnych zastosowań. Praca Rama Mehry na ten temat została opublikowana w periodyku Journal of Renewable and Sustainable Energy, publikowanym przez American Institute of Physics (Amerykański Instytut Fizyki).

Efektywność obecnie produkowanych ogniw słonecznych wynosi mniej niż 30%. Tymczasem badania przeprowadzone na University of Texas sugerują, że można ją zwiększyć do ponad 60%. Zespół profesora Xiaoyanga Zhu opracował metodę na przechwytywanie wysokoenergetycznych promieni słonecznych, które są tracone we współczesnych ogniwach. Dzisiaj najbardziej wydajne ogniwa pracują z efektywnością około 31%. Dzieje się tak, gdyż olbrzymia część światła słonecznego ma zbyt dużą energię, by można było zamienić ją w elektryczność. Energia ta, w postaci gorących elektronów, jest tracona w postaci ciepła. Jeśli udałoby się przechwycić gorące elektrony, to efektywność ogniw można by zwiększyć do 66%. Profesor Zhu mówi, że aby to osiągnąć należy przeprowadzić kilka operacji. Przede wszystkim trzeba spowolnić proces stygnięcia gorących elektronów. Po drugie trzeba je przechwycić i bardzo szybko zamienić na energię elektryczną. Już w 2008 roku zespół z University of Chicago wykazał, że półprzewodnikowe koloidalne nanokryształy spowalniają stygnięcie gorących elektronów. Teraz Zhu i jego koledzy wykonali kolejny krok - udało im się przechwycić gorące elektrony. Odkryli bowiem, że można je przenieść z nanokryształów selenku ołowiu do przewodnika wykonanego z dwutlenku tytanu. Jeśli możemy pozyskać gorące elektrony, możemy z nimi pracować. Zademonstrowany przez nas transfer gorących elektronów oznacza, że wysokowydajne ogniwo słoneczne nie jest już tylko teoretyczną koncepcją, ale eksperymentalną rzeczywistością - mówi procesor. Dodaje przy tym, że co prawda jego zespół wykorzystał selenek ołowiu, ale metoda będzie działała z kwantowymi kropkami wykonanymi z wielu innych materiałów. Zhu zaznacza, że minie jeszcze sporo czasu, zanim na rynek trafią ogniwa o wydajności 66%. Ich skonstruowanie wymaga bowiem jeszcze dużo pracy i wykonania ostatniego ze wspomnianych kroków - skierowania energii do przewodu elektrycznego. Jeśli pozyskamy z ogniwa gorący - czyli szybki - elektron i wprowadzimy go do przewodu, to utracimy jego energię w postaci ciepła. Naszym następnym celem jest dopracowanie kompozycji chemicznej przewodu, by straty były jak najmniejsze - powiedział profesor. Pokusił się nawet o stwierdzenie, że nie ma żadnego powodu, dla którego ludzkość nie miałaby w ciągu najbliższych 50 lat nie wykorzystywać 100 procent energii Słońca.

Ogniwa słoneczne są tym bardziej wydajne, im dłużej wystawimy je na działanie Słońca. To jednak zmienia w ciągu dnia swoją pozycję. Konieczne jest zatem stosowanie silników pozycjonujących panele słoneczne bądź układów optycznych, zapewniający ciągły dopływ światła. Na University of Illinois powstały ogniwa o sferycznych kształtach, dzięki którym można będzie zrezygnować z silników i optyki, a promienie słoneczne zawsze do nich dotrą. Jeśli testy wykażą ich przydatność, mogą one zastąpić tradycyjne płaskie ogniwa, a jednocześnie ich produkcja nie będzie droga, gdyż małe sferyczne ogniwa łączone w duże macierze wymagają użycia mniejszej ilości materiału. Dotychczas nie produkowano ogniw o powierzchniach sferycznych, gdyż współczesne techniki litograficzne najlepiej sprawdzają się na płaskich powierzchniach. Zespół z Univesity of Illinois poradził sobie z tym problemem dzięki technice samodzielnego dostosowywania kształtu z płaskich powierzchni. Naukowcy zaczęli od litograficznej obróbki cienkiej płaskiej warstwy krzemu. Następnie wycięli z niego formę o kształcie kwiatu. Na środku przykleili kawałek szkła, który pomagał zachować nadaną formę. W środek "kwiatu" wpuścili kroplę wody. Gdy ta parowała, napięcie powierzchniowe spowodowało, że "płatki" krzemu się uniosły, tworząc sferę. Jak mówi profesor Ralph Nuzzo, szef zespołu badawczego, największą trudnością jest opracowanie kolejnych etapów produkcji tak, by uzyskać wymagany kształt. Uczeni stworzyli więc liczne modele matematyczne opisujące, co należy zrobić, by krzem przybierał różne kształty, jak reaguje on na obecność wody i w jaki sposób należy wodę wzbogacić środkami chemicznymi, by w pożądany sposób oddziaływała na krzem. Zespół Nuzzo otrzymał w opisany powyżej sposób cały zestaw mikroskopijnych sferycznych ogniw słonecznych. Pierwsze testy wykazały, że ich wydajność wynosi zaledwie 1%. To niewiele jak na ogniwa, jednak, co warto podkreślić, to lepszy wynik niż można uzyskać z płaskich ogniw wyprodukowanych przy użyciu takiej samej technologii i tej samej ilości materiału. To z kolei oznacza, że po ulepszeniu nowa technika może okazać się lepsza od obecnie stosowanych. Jednak jej zalety nie ograniczają się do krzemu. Za jej pomocą można zginać też inne materiały. Zginanie jest bardzo interesujące, gdyż pozwala uzyskać fantastyczne trójwymiarowe kształty - stwierdził profesor George Barbastathis z MIT-u.

Przeprowadzone niedawno symulacje wykazały, że cienkie warstewki lodu nie roztopią się w temperaturze 42°C, jeśli zostaną umieszczone na diamentach powleczonych kationami sodu. Takie diamentowo-lodowe filmy stanowią idealne pokrycie sztucznych zastawek serca czy odpornych na ścieranie protez. Alexander D. Wissner-Gross i Efthimios Kaxiras, dwaj fizycy z Uniwersytetu Harvarda, odkryli, że lód pozostaje w pewnych okolicznościach nietknięty nawet powyżej punktu wrzenia wody. Sztucznie uzyskiwane filmy diamentowe są niezwykle wytrzymałe. Ta i inne właściwości sprawiają, że bardzo poważnie rozważa się ich wykorzystanie nie tylko w medycznych implantach, ale także w ogniwach słonecznych. Dodanie lodu przetrzymującego wysokie temperatury zwiększa atrakcyjność diamentów dla przemysły medycznego. W ten sposób otrzymuje się bowiem materiał odporniejszy na zarysowanie i ograniczający nadbudowywanie się na nim białek. Amerykańscy fizycy sądzą, że dzięki ich odkryciu zwiększy się też wydajność baterii słonecznych. Krótki film nakręcony przez badaczy podczas symulacji znalazł się w finale tegorocznego Festiwalu Filmów nt. Badań Materiałoznawczych (2007 Materials Research Film Festival). Chętnych zapraszamy do jego obejrzenia.