Złote kulki dla słońca: nowa szansa na dużo mocniejsze panele

Naukowcy twierdzą, że maleńkie złote kulki mogą diametralnie zmienić to, ile prądu wyciśniemy z promieni słońca.

Chodzi o specjalne nanostruktury z czystego złota, które według zespołu z Korea University potrafią pochłaniać prawie całe światło słoneczne padające na ich powierzchnię. Choć technologia jest dopiero w laboratorium, wizja jest odważna: ta sama powierzchnia panelu ma w przyszłości dawać znacznie więcej energii niż dzisiaj.

Słońce daje gigantyczną moc, panele łapią tylko jej kawałek

Z fizycznego punktu widzenia sytuacja jest dość frustrująca. Słońce w każdej sekundzie dostarcza na Ziemię tyle energii, że wystarczyłoby jej na pokrycie globalnego zapotrzebowania przez prawie godzinę. Tylko większość tej energii zwyczajnie się marnuje.

Klasyczne ogniwa fotowoltaiczne, oparte głównie na krzemie, potrafią zamienić w prąd zaledwie około jedną piątą docierającego promieniowania. Reszta zamienia się w ciepło lub odbija w przestrzeń. To efekt ograniczeń materiału i tak zwanej granicy Shockleya–Queissera, która wyznacza teoretyczny sufit sprawności dla standardowych ogniw jednopoziomowych.

Słońce świeci pełnym spektrum – od ultrafioletu, przez światło widzialne, aż po bliską podczerwień. Tymczasem krzem czy inne popularne materiały fotowoltaiczne reagują tylko na wąski wycinek tego zakresu. Czujnik „widzi” określoną długość fali, a reszta energii jest dla niego praktycznie bezużyteczna.

Obecnie najlepsze panele z krzemu monokrystalicznego zatrzymują się zwykle na sprawności w okolicach 20–22 procent.

Złoto w skali nano zachowuje się inaczej niż sztabka

Złoto kojarzy się z biżuterią i sztabkami, które tylko błyszczą w świetle. W skali nanometrów ten sam metal zaczyna jednak zachowywać się zupełnie inaczej. Od lat 2000–2010 trwają intensywne prace nad wykorzystaniem złotych nanocząstek w energetyce słonecznej.

Kluczowa jest zjawiskowa własność optyczna, nazywana lokalną rezonansową plazmoniką powierzchniową (LSPR). Gdy światło pada na powierzchnię takiej maleńkiej cząstki, elektrony w metalu zaczynają drgać w specyficzny sposób. Zamiast tylko odbić promień, nanocząstka potrafi go bardzo skutecznie wchłonąć i skupić energię w swoim otoczeniu.

Ten efekt w ogóle nie występuje na poziomie dużych obiektów. Sztabka złota będzie się błyszczeć, ale nie pochłonie selektywnie wybranych długości fali. O wszystkim decyduje rozmiar – w nanoskali prawa gry są inne.

Problem: jedna nanocząstka „widzi” tylko wąski kolor

Każda pojedyncza cząstka złota jest dostrojona do wąskiego fragmentu widma. Jej rozmiar i kształt decydują, którą długość fali pochłania najmocniej. To z jednej strony zaleta, bo daje możliwość projektowania dokładnie takich właściwości, jakich potrzebujemy. Z drugiej strony oznacza ograniczenie: jedna cząstka reaguje tylko na mały wycinek promieniowania słonecznego.

Aby wykorzystać energię słońca znacznie pełniej, potrzebna jest struktura, która „połknie” jak najszerszy zakres barw – od niebieskiego po czerwień i obszar bliskiej podczerwieni. Zespół badaczy z Korei zaproponował więc sprytne obejście tej bariery.

Supraballs – złote kulki złożone z wielu różnych nanocząstek

Naukowcy Jaewon Lee, Seungwoo Lee i Kyung Hun Rho wpadli na pomysł, aby nie wykorzystywać rozproszonych, identycznych cząstek, lecz połączyć je w większe kule złożone z elementów o różnych rozmiarach. Każda taka kula składa się z wielu nanocząstek, z których każda pochłania inną długość fali.

W praktyce tworzy to coś w rodzaju miniaturowej „drużyny” łapiącej różne kolory naraz. Jedna część kuli reaguje silniej na niebieski, inna na zielony, kolejna na czerwony czy bliską podczerwień. Cała struktura obejmuje znacznie szersze spektrum niż pojedyncza cząstka.

Badacze nazwali te struktury „supraballs”. To sferyczne zlepki nanocząstek złota o różnych rozmiarach, które same się organizują.

Samouporządkowanie zamiast skomplikowanej produkcji

Jedną z najbardziej fascynujących cech tej technologii jest sposób powstawania złotych kul. Naukowcy nie muszą osobno budować każdej struktury. Wystarczy przygotować roztwór zawierający odpowiednio dobrane nanocząstki i stworzyć im właściwe warunki.

Wtedy cząstki same zbierają się w kule. Proces samoorganizacji prowadzi do uformowania supraballs praktycznie bez „ręcznego” montażu. To istotne z punktu widzenia kosztów produkcji i skalowania technologii, zwłaszcza gdy myśli się o milionach metrów kwadratowych paneli.

Symulacje i testy: niemal całe widmo słoneczne pod kontrolą

Zanim zespół przeszedł do praktycznych eksperymentów, uruchomił zaawansowane symulacje numeryczne. Na komputerze można było testować różne konfiguracje, zmieniać rozmiar kul, skład mieszaniny cząstek oraz gęstość upakowania. Dzięki temu badacze zyskali obraz tego, jak te struktury powinny się zachowywać jeszcze przed wejściem do laboratorium.

Model wskazywał, że odpowiednio zaprojektowane supraballs są w stanie pochłonąć powyżej 90 procent długości fali w interesującym zakresie widma słonecznego. To poziom nieosiągalny dla klasycznych warstw z jednorodnych nanocząstek.

Kolejny krok to potwierdzenie tych prognoz w warunkach rzeczywistych. Zespół pokrył handlowy generator termoelektryczny cienkim filmem, zawierającym opracowane przez siebie struktury złota. Taki generator nie jest klasycznym panelem fotowoltaicznym, ale świetnie nadaje się do pomiaru pochłaniania promieniowania i zamiany różnicy temperatur na energię elektryczną.

Po naświetleniu urządzenia symulatorem słonecznym LED, różnica okazała się ogromna. Ten sam typ przetwornika, z klasyczną złotą warstwą nanoproszku, połykał niespełna połowę energii. Wersja z nową kulistą strukturą niemal podwajała ten wynik, osiągając około 89 procent absorpcji.

Na razie zachwyt w laboratorium, a nie rewolucja na dachu

Wyniki dają dużą nadzieję, ale badacze sami studzą emocje. W publikacji nie ma ani jednej deklaracji, że obecne panele fotowoltaiczne nagle podwoją sprawność, ani że nowa powłoka pojawi się jutro w sklepach. Jesteśmy dopiero na etapie obiecujących eksperymentów w kontrolowanych warunkach.

Droga od testu w laboratorium do komercyjnego wdrożenia zwykle zajmuje całe lata, czasem nawet całe dekady. Trzeba sprawdzić trwałość takich struktur w deszczu, mrozie, upale i przy milionach cykli nagrzewania oraz chłodzenia. Konieczne są testy w instalacjach z prawdziwym nasłonecznieniem, a nie tylko pod symulatorem.

Dochodzi jeszcze kwestia kosztów. Złoto jest drogie, więc kluczowe staje się pytanie, ile go potrzeba na metr kwadratowy powłoki i czy da się je częściowo zastąpić tańszymi metalami, bez utraty efektu plazmonicznego. Przemysł fotowoltaiczny ma już dopracowane, tanie technologie i bardzo ostrożnie patrzy na każdą nowinkę.

Rynek paneli jest dojrzały i mocno nasycony, więc nowa technologia musi być nie tylko wydajna, ale też tania, stabilna i łatwa w produkcji.

Co może zyskać energetyka słoneczna dzięki takim powłokom

Nowe złote kulki nie muszą trafiać wyłącznie na klasyczne moduły fotowoltaiczne na dachach. Takie struktury mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w kilku obszarach:

• jako warstwa zwiększająca pochłanianie światła w panelach na krzemie lub w ogniwach tandemowych,
• w fotowoltaice zintegrowanej z budynkami, gdzie liczy się każdy wat z ograniczonej powierzchni,
• w koncentratorach słonecznych, które skupiają promienie na mniejszych, ale bardzo wydajnych przetwornikach,
• w technologiach termoelektrycznych, pozyskujących energię z różnicy temperatur,
• w mniejszych urządzeniach – od czujników IoT po kompaktowe źródła zasilania w trudno dostępnych miejscach.

Jeśli uda się realnie zwiększyć zdolność pochłaniania, projektanci paneli zyskają większą swobodę. Można albo uzyskać wyższy uzysk energii z tej samej powierzchni, albo – zachowując tę samą moc – zmniejszyć rozmiary instalacji. To ma znaczenie w gęstej zabudowie miejskiej, na samochodach czy w elektronice noszonej.

Dlaczego widmo słoneczne jest tak istotne i co z tego wynika

Dla osób niezajmujących się na co dzień optyką, pojęcia „widmo” czy „długość fali” brzmią abstrakcyjnie. W praktyce chodzi o to, że każdy kolor światła przenosi energię o trochę innej charakterystyce. Materiał, który świetnie reaguje na zakres zielony, może kompletnie ignorować czerwony.

Największe rezerwy tkwią w tych częściach widma, które dziś traktujemy jak stratę. Gdy powstaje ciepło, panel nie tylko marnuje energię, ale też pracuje mniej efektywnie, bo jego sprawność zwykle spada przy wysokiej temperaturze. Warstwa, która zamiast rozgrzewać moduł, efektywnie przetworzy fotony na użyteczną energię, poprawia parametry z dwóch stron naraz.

Z perspektywy użytkownika końcowego ważne jest też to, że nowe rozwiązania nie muszą wymagać zmiany całej instalacji. Jeżeli w przyszłości takie powłoki da się nakładać jako cienką warstwę na gotowe moduły lub szkło ochronne, potencjał modernizacji istniejących farm PV robi się naprawdę ciekawy. Oczywiście na razie to scenariusz teoretyczny, ale branża bacznie śledzi tego typu koncepcje.

Warto dodać, że podobne struktury plazmoniczne można projektować nie tylko ze złota. Srebro czy nowe, tańsze stopy metali też pokazują interesujące efekty. Złote kulki mogą więc pełnić podwójną rolę: z jednej strony jako realna technologia, z drugiej jako poligon doświadczalny, na którym fizycy i inżynierowie uczą się, jak „układać” materiały w nanoskali tak, by maksymalnie podporządkować je energii słońca.