Złote kulki dla fotowoltaiki. Nowa metoda może wycisnąć więcej słońca
W centrum ich pracy stoją maleńkie, samoorganizujące się kuleczki ze złota, które potrafią „zebrać” niemal cały użyteczny zakres promieniowania słonecznego. Jeśli technologia przetrwa testy poza laboratorium, może mocno namieszać na rynku energii odnawialnej.
Problem: panele słoneczne marnują większość energii ze słońca
Słońce w każdej sekundzie dostarcza na Ziemię kolosalną dawkę energii, znacznie większą, niż cała ludzkość zużywa w tym samym czasie. Mimo tego standardowe panele fotowoltaiczne „wyciągają” z tego promieniowania tylko niewielką część.
Obecnie najlepsze, dostępne w masowej sprzedaży panele z krzemu monokrystalicznego osiągają sprawność mniej więcej 20–22%. Czyli z całej energii, którą dostaje moduł na dachach domów, realnie w prąd zamienia tylko jedną piątą. Reszta ucieka w formie odbitego światła albo bezsensownego ciepła.
To nie jest wada konkretnej firmy, tylko fizyczna granica znana fizykom jako limit Shockleya-Queissera. Krzem potrafi efektywnie przetwarzać tylko wąski fragment widma słonecznego. Fale o innych długościach przechodzą przez materiał, odbijają się lub nagrzewają ogniwo, zamiast dawać dodatkowe elektrony.
Złote nanocząstki i ich nietypowa relacja ze światłem
Naukowcy już od początku lat 2000 eksperymentują ze złotem w skali nano, bo w tych warunkach zachowuje się ono inaczej niż klasyczny metal w sztabce. Kluczowym zjawiskiem jest tzw. lokalna rezonansowa plazmonika powierzchniowa (LSPR).
Gdy promieniowanie pada na nanocząstkę złota, elektronowa „chmura” na jej powierzchni zaczyna drgać w takiej częstotliwości, że cząstka nie tylko odbija, ale bardzo skutecznie pochłania światło. Działa trochę jak miniaturowa antena, nastawiona na konkretną długość fali.
Jest jeden kłopot: każda pojedyncza nanocząstka reaguje głównie na wąski zakres barw, zależny od jej rozmiaru. Jedna „słyszy” lepiej bliską podczerwień, inna głównie zielone lub czerwone światło. Samotna cząstka to zatem świetny absorber, ale tylko dla małego wycinka widma słonecznego.
Badacze od lat szukają sposobu, by stworzyć strukturę, która jednym ruchem „złapie” możliwie cały użyteczny zakres promieniowania słonecznego, a nie tylko jego wycinek.
Supraballs – złote kulki złożone z wielu nanocząstek
Zespół z Korea University postanowił zagrać na tej słabości i zamienić ją w atut. Zamiast operować pojedynczymi nanocząstkami o jednym rozmiarze, badacze połączyli wiele cząstek różnej wielkości w jedną, większą kulę. Tak powstały struktury, którym nadali nazwę „supraballs”.
Pomysł jest prosty: każda nanocząstka w takiej kuli ma inny rozmiar, a więc „stroi się” na inną długość fali. W efekcie cała kula może pochłaniać światło z szerokiego zakresu widma – od krótszych fal aż po bliską podczerwień.
Dodatkowa zaleta: te struktury powstają same. W odpowiednich warunkach chemicznych nanocząstki złota samoistnie organizują się w kulki, bez potrzeby skomplikowanych urządzeń montażowych czy litografii.
Jak to wygląda w praktyce
- najpierw wytwarza się roztwór zawierający nanocząstki złota o różnych wielkościach,
- następnie kontroluje się warunki (np. stężenie, temperaturę), aby wymusić ich samoorganizację,
- cząstki zlepiają się w stabilne, wieloskładnikowe kule, czyli supraballs,
- gotową „zupę” z kulkami można nanieść jak farbę na powierzchnię urządzeń.
Symulacje: teoretycznie nawet powyżej 90% pochłaniania
Zanim naukowcy przeszli do eksperymentów, sięgnęli po zaawansowane symulacje numeryczne. Chodziło o sprawdzenie, jaką średnicę powinny mieć kulki ze złota, jak rozłożyć rozmiary składowych nanocząstek i jak gęsto je upakować, żeby osiągnąć jak najwyższy poziom absorpcji.
Modele komputerowe sugerowały, że dobrze zaprojektowane supraballs są w stanie wchłonąć ponad 90% energii w użytecznym zakresie widma słonecznego. To już poziom, o którym klasyczne struktury z pojedynczych nanocząstek mogą tylko marzyć.
| Rodzaj powłoki | Absorpcja promieniowania |
|---|---|
| Zwykłe nanocząstki złota | ok. 45% |
| Supraballs ze złota | ok. 89% (w teście laboratoryjnym) |
Test w laboratorium: prawie dwa razy więcej pochłoniętej energii
Po serii symulacji przyszedł czas na eksperyment. Badacze nie zaczynali od panelu fotowoltaicznego, ale od gotowego na rynku generatora termoelektrycznego – urządzenia, które zamienia różnicę temperatur na energię elektryczną.
Na jego powierzchnię nanieśli ciecz zawierającą supraballs. Po wyschnięciu powstała cienka, złota powłoka. Następnie całość oświetlono w warunkach kontrolowanych za pomocą specjalnego symulatora LED, który imituje widmo słoneczne.
Z taką powłoką urządzenie pochłaniało około 89% padającego promieniowania. Ten sam generator, pokryty klasycznym filmem z nanocząstek złota, zatrzymywał tylko około 45% energii.
Różnica jest więc spektakularna, przynajmniej w laboratorium. Mówimy o prawie dwukrotnie większej absorpcji, uzyskanej dzięki zmianie struktury tych samych surowców, bez wymyślania egzotycznych, rzadkich materiałów.
Czy złote kulki trafią na dachy domów?
Brzmi jak przepis na rewolucję w fotowoltaice, ale sami autorzy badań studzą emocje. Nie obiecują, że technologia szybko podniesie sprawność paneli z 20% do 40% ani że za chwilę kupimy moduły z „supraballs” w pierwszym lepszym sklepie.
Przejście z etapu publikacji naukowej do produktu na dachu potrafi zająć lata albo całe dekady. Część technologii nigdy nie wychodzi poza laboratorium, bo okazuje się zbyt droga, zbyt skomplikowana w produkcji albo po prostu przegrywa z konkurencją.
Rynek fotowoltaiki jest dojrzały i mocno obsadzony przez gigantów. Każde nowe rozwiązanie musi nie tylko działać lepiej, ale też pasować do istniejących linii produkcyjnych, być tanie, stabilne na deszczu, mrozie i upale, a przy tym bezpieczne środowiskowo.
Największe pytania na najbliższe lata
- czy da się produkować supraballs masowo, w powtarzalny sposób, bez skokowego wzrostu kosztów modułów,
- jak taka powłoka zniesie wilgoć, smog, zarysowania i długotrwałe działanie promieni UV,
- czy użycie złota, nawet w ilościach nano, nie stanie się wąskim gardłem kosztowym dla dużych farm fotowoltaicznych,
- w jaki sposób zintegrować te struktury z klasycznym krzemem lub nowymi ogniwami perowskitowymi.
Dlaczego złoto, a nie tańszy metal?
Na pierwszy rzut oka pomysł, by wzmacniać panele drogim kruszcem, brzmi jak żart. W skali nano sytuacja wygląda inaczej. Złoto ma wyjątkowo stabilne właściwości chemiczne, nie utlenia się jak srebro i zachowuje bardzo wyraźny efekt plazmoniczny.
Co ważne, ilości metalu są znikome. Mówimy o ultracienkich warstwach, niewidocznych gołym okiem. Koszt materiału może w praktyce okazać się akceptowalny, jeżeli dzięki temu panele będą dostarczały wyraźnie więcej energii z tej samej powierzchni dachu czy farmy.
Jeśli technologia dojrzeje, da się ją teoretycznie połączyć nie tylko z klasycznym krzemem, ale też z nowymi generacjami ogniw – na przykład tandemowych struktur krzem + perowskit, które już dziś obiecują wyjście powyżej 30% sprawności.
Co ta koncepcja może zmienić w praktyce
Dla zwykłego użytkownika liczą się przede wszystkim dwie rzeczy: ile prądu da się wyprodukować z dostępnej powierzchni oraz ile kosztuje każdy dodatkowy wat mocy. Jeśli dzięki supraballs panele na tym samym dachu wygenerują zauważalnie więcej energii, inwestycja w fotowoltaikę stanie się bardziej opłacalna bez dokładania kolejnych metrów kwadratowych modułów.
Z punktu widzenia sieci elektroenergetycznych większa sprawność przy tej samej powierzchni oznacza też lepsze wykorzystanie obszarów pod farmy słoneczne i mniejszą presję na zajmowanie nowych terenów. Każdy procent sprawności w górę przekłada się na konkretne megawaty mocy z tej samej działki.
Warto też pamiętać, że technologie tego typu często znajdują poboczne, nieoczywiste zastosowania. Powłoki o bardzo wysokiej absorpcji przydadzą się w precyzyjnych czujnikach, małych generatorach do zasilania Internetu Rzeczy czy w urządzeniach noszonych, które zbierają energię ze światła dziennego podczas całego dnia.
Dla osób śledzących rozwój zielonej energii przykład złotych kulek z Korei jest dobrym przypomnieniem, że potencjał fotowoltaiki nie kończy się na wymianie inwertera czy nowej serii modułów. Ogromna część gry to wciąż czysta fizyka i materiały – i to tam, w laboratoriach, zapadają decyzje, jakie technologie trafią na nasze dachy za dziesięć czy dwadzieścia lat.
