Złote „kulki” dla paneli słonecznych. Naukowcy mówią o skoku wydajności

Uczeni z Korei Południowej zaproponowali nietypowy sposób na wzmocnienie paneli słonecznych: mikroskopijne złote kule zbudowane z jeszcze mniejszych cząstek.

Ich badania sugerują, że takie struktury mogą przechwytywać prawie całe światło słoneczne docierające do powierzchni Ziemi. Droga od laboratoriów do dachów domów jest jeszcze długa, ale koncepcja już dziś przyciąga uwagę branży energetycznej.

Słońce daje ogrom energii, a panele biorą tylko ułamek

W każdej sekundzie Słońce dostarcza na Ziemię tyle energii, że wystarczyłoby jej na zasilenie całej cywilizacji przez blisko godzinę. Problem w tym, że dzisiejsze panele fotowoltaiczne potrafią wykorzystać tylko niewielką część tego potencjału.

Najlepsze komercyjne moduły z wysokiej klasy krzemu monocząsteczkowego osiągają sprawność rzędu 20–22%. Reszta energii słonecznej albo się odbija, albo zamienia w ciepło, które dla panelu jest po prostu stratą.

Źródło kłopotu leży w fizyce. Światło słoneczne to mieszanina wielu długości fali – od ultrafioletu, przez światło widzialne, aż po bliską podczerwień. Krzem i inne typowe materiały fotowoltaiczne efektywnie „widzą” tylko konkretny wycinek tego zakresu. Poza nim stają się prawie ślepe.

W klasycznym panelu spora część światła słonecznego nie pracuje na prąd – zamienia się w ciepło lub odbija, marnując się bez pożytku dla instalacji.

Złote nanocząstki i niezwykła gra z promieniami

Od kilkunastu lat naukowcy interesują się złotem w skali nano jako wsparciem dla technologii słonecznych. W tej postaci metal zachowuje się zupełnie inaczej niż w sztabce czy biżuterii. Kluczowe zjawisko to tzw. lokalna rezonansowa plazmonika powierzchniowa (LSPR).

W dużym uproszczeniu: gdy na złotą nanocząstkę pada światło, elektrony na jej powierzchni zaczynają drgać w sposób zsynchronizowany z falą świetlną. Nie chodzi wyłącznie o odbicie promieni. Taka cząstka potrafi bardzo efektywnie pochłaniać energię fotonów.

To właśnie nanometrowa skala zmienia zachowanie złota. Sztabka tylko się błyszczy, drobina o rozmiarze tysięcy razy mniejszym od grubości włosa potrafi zamienić się w miniaturowy „odkurzacz” na światło. Jest jednak haczyk: każda pojedyncza nanocząstka reaguje najmocniej na ściśle określoną długość fali, zależną od jej rozmiaru i kształtu.

To oznacza, że pojedyncza nanocząstka może „obsłużyć” tylko wąski przedział barw. A instalacjom fotowoltaicznym zależy na jak najszerszym, możliwie pełnym zakresie widma słonecznego.

Supraballs – złote kulki z wielu różnych nanocząstek

Z tym ograniczeniem zmierzył się zespół z Korea University, kierowany przez Jaewona Lee, Seungwoo Lee i Kyung Huna Rho. Zamiast używać osobnych, jednorodnych nanocząstek, badacze postanowili połączyć je w większe, sferyczne struktury.

Każda taka kula – określona przez nich mianem supraball – powstaje z mieszaniny nanocząstek złota o różnych rozmiarach. To szczegół, który zmienia wszystko: każda z cząstek w kuli reaguje na inny fragment widma, więc cała kula „widzi” dużo szerszy zakres długości fali niż pojedynczy element.

Złota kula złożona z wielu nanocząstek działa jak zestaw wyspecjalizowanych anten, z których każda chwyta inną barwę światła. Razem tworzą znacznie skuteczniejszy „kolektor” energii.

Ciekawa jest też sama metoda tworzenia tych struktur. Supraballs nie wymagają skomplikowanych maszyn do montażu. Nanocząstki złota, umieszczone w odpowiednio dobranym środowisku, same grupują się w sferyczne zbitki. Badacze mówią tutaj o samorzutnym samoorganizowaniu się cząstek – zjawisku bardzo pożądanym w nanotechnologii, bo upraszcza produkcję.

Od symulacji komputerowych do prób w laboratorium

Zanim powstały realne próbki, zespół z Korei uruchomił serię zaawansowanych symulacji. Ich celem było dobranie takich rozmiarów i konfiguracji supraballs, by pochłaniały możliwie szeroki zakres widma słonecznego przy maksymalnej efektywności.

Modelowanie wskazało, że odpowiednio zaprojektowane kule mogą absorbować ponad 90% długości fali z widma interesującego z punktu widzenia energetyki. Wyniki wyglądały na tyle obiecująco, że naukowcy przeszli do etapu wytwarzania i testów.

Zamiast od razu atakować klasyczne moduły fotowoltaiczne, wybrali prostszy obiekt badań – komercyjny generator termoelektryczny. Urządzenie pokryli warstwą płynnego roztworu zawierającego supraballs. Po wyschnięciu powstał na jego powierzchni cienki film pełen złotych kul.

Absorpcja prawie dwa razy większa niż przy klasycznych nanocząstkach

Tak przygotowany generator trafił pod lampy LED imitujące światło słoneczne. Zespół porównywał dwa scenariusze:

• urządzenie z filmem zwykłych nanocząstek złota,
• urządzenie z filmem złożonym z supraballs.

Różnice w absorpcji okazały się bardzo wyraźne. Klasyczna powłoka pochłaniała około 45% energii padającego promieniowania. Konstrukcja oparta na supraballs dochodziła do blisko 89%. To niemal dwukrotny wzrost zdolności przechwytywania światła.

Badacze mówią wprost: takie struktury mogą stać się prostym sposobem na „dozbieranie” tego, co dziś ucieka standardowym materiałom fotowoltaicznym. Warstwa supraballs mogłaby pełnić rolę wzmacniającego filtra lub nakładki na wyspecjalizowane ogniwa.

Od wyników w prasie naukowej do realnych paneli – długa droga

Autorzy badań nie obiecują, że nowa technologia natychmiast podwoi sprawność paneli solarnych na dachach domów. Artykuł w branżowym czasopiśmie pokazuje raczej potencjał koncepcji niż gotowy produkt.

Potrzebne są kolejne etapy: testy z prawdziwymi panelami, sprawdzenie trwałości powłoki w deszczu, mrozie i upale, analiza kosztów produkcji na dużą skalę. Branża słoneczna to bardzo wymagający rynek: dojrzały, nasycony i bezlitośnie konkurencyjny cenowo.

Nie każda obiecująca technologia z laboratorium doczeka się seryjnej produkcji. W fotowoltaice odsetek pomysłów, które przebiły się do masowych instalacji, jest zaskakująco niski.

Do tego dochodzą kwestie praktyczne: czy stosowanie złota – nawet w ilościach nano – będzie opłacalne finansowo? Jak skomplikowany okaże się proces powlekania paneli supraballs w fabrykach modułów? I czy taka warstwa nie wpłynie negatywnie na inne parametry, np. stabilność elektryczną lub odporność na zabrudzenia?

Co ta technologia może dać w przyszłości

Jeśli koncepcja przejdzie kolejne testy, możliwe jest kilka scenariuszy wykorzystania supraballs w energetyce słonecznej. Najczęściej wskazywane przez specjalistów to:

• cienka warstwa na przedniej szybie panelu fotowoltaicznego, poprawiająca ilość przechwytywanego światła,
• specjalne powłoki dla koncentratorów słonecznych, które skupiają promienie na małej powierzchni ogniw wysokosprawnych,
• nakładki dla hybrydowych urządzeń łączących generowanie prądu z odzyskiem ciepła,
• zastosowania w mikroinstalacjach zasilających elektronikę i sensory tam, gdzie liczy się każdy odrobinę wyższy procent sprawności.

Warstwa z supraballs może też otworzyć drogę do nowego podejścia w projektowaniu paneli. Zamiast zmuszać jedno ogniwo do jak najszerszej „czułości” na różne barwy, można rozdzielić role: specjalistyczne ogniwo do przetwarzania prądu i zewnętrzna, aktywna optycznie powłoka, której jedynym zadaniem jest maksymalizacja pochłaniania energii.

Czego może spodziewać się zwykły użytkownik fotowoltaiki

Dla osób mających instalacje na dachu czy planujących zakup ta historia jest przede wszystkim sygnałem, że wciąż trwa intensywna praca nad poprawą wydajności. W najbliższych latach na rynku nie pojawią się nagle panele o sprawności dwa razy wyższej przy identycznej cenie, ale każde kilka dodatkowych procent robi różnicę w kalkulacjach inwestycji.

Rozwiązania takie jak supraballs mogą w przyszłości trafić nie tylko do nowych modułów, lecz także do formy specjalnych powłok serwisowych, nakładanych na istniejące instalacje. Wtedy poprawa efektywności byłaby możliwa bez wymiany całego sprzętu. To na razie tylko jeden z możliwych kierunków, ale branża już dziś przygląda się takim pomysłom z dużą uwagą.

Dla energetyki słonecznej kluczowe staje się zagęszczanie mocy – wyciskanie jak największej ilości energii z metra kwadratowego powierzchni. Złote nanostruktury w formie samoorganizujących się kul wpisują się dokładnie w ten trend. Tworzą dodatkową warstwę, która nie konkuruje z samymi ogniwami, lecz ma je dopełniać, przechwytując światło, które dziś ucieka niezauważone.