Złote kulki podnoszą wydajność paneli słonecznych. Naukowcy zaskoczeni efektem

Maleńkie struktury z złota potrafią zmienić przeciętny panel w znacznie skuteczniejszy kolektor energii – i to bez rewolucji w samym krzemie.

Naukowcy z Korei pokazali nowy sposób na to, by wycisnąć z promieni słońca znacznie więcej energii niż dzisiaj. Zamiast wymyślać zupełnie nowy materiał, sięgnęli po dobrze znany metal szlachetny i uformowali go w niezwykle małe, samoskładające się kulki, które pochłaniają światło z zaskakującą skutecznością.

Dlaczego obecne panele fotowoltaiczne marnują tyle energii

Słońce dostarcza na Ziemię gigantyczne ilości energii. W ciągu jednej sekundy na powierzchnię planety trafia jej tyle, że wystarczyłoby na zasilenie ludzkości przez prawie godzinę. Mimo to współczesne panele fotowoltaiczne przechwytują z tego tylko niewielką część.

Standardowe moduły, oparte głównie na krzemie, dobrze radzą sobie tylko z pewnym wycinkiem widma światła – głównie w zakresie światła widzialnego. Reszta promieniowania, zwłaszcza skrajne fragmenty od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni, jest po prostu odbijana lub zamieniana w ciepło, które do produkcji prądu się nie przydaje.

Przeczytaj również: Naukowcy „wskrzeszają” płytę CD: tysiąc razy więcej danych na krążku

Ta bariera ma nawet swoją nazwę – limit Shockleya-Queissera. Nawet bardzo dobre, monokrystaliczne ogniwa krzemowe osiągają sprawność na poziomie około 20–22%. Dalszy wzrost wydajności staje się coraz trudniejszy i droższy.

Nowe podejście nie polega na wymianie krzemu, lecz na dodaniu do niego niezwykle skutecznej „nakładki świetlnej”, która lepiej zagospodarowuje promieniowanie docierające do powierzchni ogniwa.

Złoto w rozmiarze nano: zupełnie inne właściwości niż sztabka

Złoto kojarzy się raczej z biżuterią lub rezerwami banków centralnych, a nie z fotowoltaiką. W skali nanometrów (miliardowych części metra) zachowuje się jednak całkiem inaczej niż zwykła sztabka lśniąca w gablocie.

Przeczytaj również: Blue Origin chce chronić Ziemię przed asteroidami. Nowa misja NEO Hunter

Nanocząstki złota od dawna interesują fizyków i inżynierów, ponieważ wykazują tzw. lokalną rezonansę plazmonową powierzchni. W praktyce oznacza to, że pod wpływem światła elektrony w metalu zaczynają drgać w ściśle określony sposób, a sama cząstka może bardzo skutecznie pochłaniać promieniowanie, zamiast je zwyczajnie odbijać.

Jest tu jednak haczyk: pojedyncza nanocząstka jest zwykle wrażliwa tylko na wąski zakres długości fali, zależny od jej rozmiaru. Mała cząstka „lubi” inne światło niż większa. W efekcie pojedynczy typ nanocząstek przykrywa tylko mikroskopijny wycinek szerokiego słonecznego widma.

Przeczytaj również: Horoskop od 11 marca: te 3 znaki zodiaku mają mieć wyjątkową passę

Pomysł koreańskich badaczy: złote „superkulki” złożone z wielu cząstek

Zespół z Korea University, z udziałem naukowców Jaewona Lee, Seungwoo Lee i Kyung Huna Rho, postanowił obejść to ograniczenie. Zamiast korzystać z jednorodnych nanocząstek, badacze zaprojektowali struktury złożone z wielu cząstek różnej wielkości, zbitych razem w kulistą bryłę.

Te struktury nazwali roboczo „suprakulami” (ang. supraballs). Każda pojedyncza nanocząstka w takiej kuli pochłania inną długość fali, a cała kulka pokrywa znacznie większy zakres widma. Dzięki temu można jednocześnie „zebrać” dużo więcej użytecznego światła.

Kiedy różne rozmiary nanocząstek złota zostaną połączone w jedną kulę, powstaje swego rodzaju optyczna „gąbka”, która wyłapuje niemal całe promieniowanie padające na jej powierzchnię.

Dodatkowa zaleta: suprakule tworzą się samoczynnie. Nanocząstki złota w odpowiednich warunkach fizykochemicznych same zlepiają się w sferyczne skupiska. Nie trzeba więc ręcznie ich układać ani stosować drogich procesów litograficznych rodem z przemysłu półprzewodników.

Najpierw symulacje, potem test w prawdziwym urządzeniu

Zanim badacze przygotowali fizyczne próbki, przeprowadzili zaawansowane symulacje numeryczne. Dzięki temu dobrali optymalny rozmiar kul i skład mieszanki nanocząstek. Model wskazywał, że taka struktura powinna pochłaniać ponad 90% istotnych długości fal w słonecznym spektrum.

Kolejny krok to sprawdzenie, czy teoria ma sens w praktyce. Naukowcy nałożyli ciekły roztwór zawierający suprakule na powierzchnię gotowego urządzenia – komercyjnego generatora termoelektrycznego. Po wyschnięciu na elemencie pojawił się cienki film złożony właśnie z tych złotych mikrostruktur.

Efekt: niemal dwukrotnie więcej pochłoniętego światła

Tak przygotowany generator został wystawiony na działanie sztucznego „słońca”, czyli specjalnego zestawu diod LED symulujących naturalne promieniowanie. Różnica w porównaniu z klasyczną powłoką z nanocząstek złota okazała się duża.

• powierzchnia pokryta zwykłymi pojedynczymi nanocząstkami złota – około 45% energii świetlnej wchłoniętego promieniowania,
• powierzchnia pokryta suprakulami – około 89% pochłoniętego promieniowania.

To wynik, który pokazuje, że sama technika formowania struktur ma ogromne znaczenie. Nie zmieniono materiału, wciąż mowa o złocie. Zmieniono natomiast jego organizację w przestrzeni i rozkład rozmiarów cząstek, przez co cała powłoka zachowuje się zupełnie inaczej optycznie.

Badacze opisują swoje suprakule jako prostą drogę do pełniejszego „złapania” słonecznego spektrum bez rezygnowania z obecnych technologii.

Czy panele fotowoltaiczne nagle zrobią się dwa razy lepsze?

Tak kuszące liczby łatwo popchnęłyby wyobraźnię w stronę hasła „podwójna sprawność paneli”. Autorzy pracy studzą jednak entuzjazm. Badania dotyczą przede wszystkim etapu pochłaniania energii, a nie końcowego wyniku w postaci dodatkowych procentów sprawności całego modułu.

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z kilku warstw, a sama konwersja światła na prąd to seria procesów fizycznych. Lepsza absorpcja to warunek konieczny do wzrostu wydajności, lecz nie jedyny. Trzeba jeszcze zadbać o transport ładunku, ograniczenie strat cieplnych, jakość złączy i kompatybilność z istniejącymi materiałami.

Od laboratorium do dachu domu droga jest długa

Badacze wyraźnie podkreślają, że suprakule nie trafią jutro do hurtowni z fotowoltaiką. Mówimy o obiecującym rozwiązaniu na etapie badań, które wymaga dalszych testów trwałości, skalowalności i ekonomii produkcji.

Rynek energii słonecznej jest dziś mocno dojrzały i pełen konkurencji. Firmy instalują miliony modułów rocznie, a każdy nowy materiał musi przejść morderczy test: od kosztów wytwarzania, przez stabilność w deszczu, mrozie i upale, po kompatybilność z aktualnymi liniami produkcyjnymi. Wiele podobnych koncepcji kończyło swój żywot na etapie prototypów, bo nie udało się pogodzić wysokiej wydajności z atrakcyjną ceną.

Złoto w energetyce: czy to ma sens ekonomiczny?

Złoto nie jest tanie, więc naturalne pytanie brzmi: czy wykorzystanie go w masowej skali nie skończyłoby się finansowym absurdem? Odpowiedź leży w rozmiarach struktur. Nanocząstki i suprakule powstają z ekstremalnie cienkich ilości materiału. Warstwa na powierzchni panelu jest niemal mikroskopijna, a jej koszt można porównać bardziej do cienkiego pokrycia niż do litego elementu z metalu szlachetnego.

Jeśli taka powłoka pozwoli znacząco zwiększyć ilość energii uzyskiwanej z jednego modułu, dodatkowy koszt złota może się zwracać przez lata pracy instalacji. Szczególnie interesujące są tu zastosowania specjalistyczne – w koncentratorach słonecznych, urządzeniach termoelektrycznych, na satelitach czy w miejscach, gdzie liczy się każdy wat uzyskanej mocy.

Gdzie ta technologia mogłaby trafić jako pierwsza

Najbardziej prawdopodobne kierunki rozwoju to niekoniecznie dachy domów jednorodzinnych, ale bardziej wymagające segmenty energetyki i elektroniki:

• zaawansowane generatory termoelektryczne zasilające urządzenia w trudno dostępnych miejscach,
• specjalne panele na sondach kosmicznych, gdzie każdy gram i każdy procent sprawności ma znaczenie,
• mikrosystemy fotowoltaiczne w elektronice noszonej i urządzeniach IoT,
• hybrydowe moduły łączące produkcję prądu z wykorzystaniem ciepła odpadowego.

Z czasem, jeśli proces wytwarzania suprakul okaże się prosty i tani, można wyobrazić sobie także cienkie „nakładki” na zwykłe moduły krzemowe, sprzedawane jako element podnoszący ich wydajność w nowych generacjach produktów.

Co to oznacza dla zwykłego użytkownika paneli słonecznych

Dla właścicieli instalacji fotowoltaicznych ta technologia na razie niczego nie zmienia. Obecne panele nadal opłaca się montować, bo koszt ich produkcji spadł w ostatnich latach drastycznie, a okres zwrotu inwestycji skrócił się nawet do kilku lat.

Złote suprakule są natomiast sygnałem, że potencjał poprawy istniejących systemów wciąż pozostaje spory. Rynek nie zbliża się do absolutnego maksimum możliwości. Pojawiają się rozwiązania, które nie wymagają burzenia dotychczasowej architektury ogniw, tylko dodania do niej warstw o bardziej zaawansowanych właściwościach optycznych.

Warto też zwrócić uwagę na jeszcze jeden aspekt: im skuteczniej panele pochłaniają światło, tym mniejszej powierzchni potrzeba do uzyskania tej samej ilości energii. To może mieć znaczenie w gęsto zabudowanych miastach czy w krajach, gdzie wolnego terenu jest mało, a zapotrzebowanie energetyczne stale rośnie.

Jeśli kolejne zespoły badawcze potwierdzą wyniki koreańskich naukowców, a przemysł znajdzie opłacalny sposób na produkcję tego typu powłok, złoto może zacząć pełnić w energetyce nową, trochę zaskakującą rolę. Nie tylko jako rezerwa w banku czy metal w pierścionku, ale jako subtelna, niewidoczna gołym okiem warstwa, która pomaga wycisnąć z promieni słońca zdecydowanie więcej energii, niż robimy to dziś.