To może być koniec paneli krzemowych! Japonia ma nowy sposób na energię ze słońca
Badacze z Uniwersytetu Tokijskiego przedstawili nowatorskie panele słoneczne, w których zintegrowano dwa materiały dotąd nie stosowane w produkcji ogniw z powodu licznych ograniczeń. Rezultaty badań były niespodziewane, a odkrycie otwiera wiele nowych perspektyw i szans w obszarze fotowoltaiki.
- Ograniczenia i zalety paneli krzemowych
- Innowacyjne ogniwa fotowoltaiczne z Japonii
- Innowacyjne połączenie selenu z tytanem
- Innowacyjne panele solarne z dwutlenkiem tytanu
- Wyzwania w produkcji nowoczesnych ogniw
Ograniczenia i zalety paneli krzemowych
Najbardziej powszechne i tradycyjne na rynku panele słoneczne to rozwiązania bazujące na krzemie. Panele te cechują się stosunkowo dużą sprawnością i efektywnością przetwarzania energii cieplnej na elektryczną — w granicach 18-24%. Lepsze wyniki uzyskują panele słoneczne monokrystaliczne, natomiast panele polikrystaliczne mają niższą efektywność, ale także mniejszą cenę.
Mimo wysokiej efektywności panele krzemowe mają wiele ograniczeń, w dużej mierze wynikających z ich fizycznych cech. Technologia krzemowa nie pozwala na efektywne i równomierne pochłanianie wszystkich fotonów (cząstki promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego w całym Słońcu). Część fotonów o zbyt niskiej energii nie wytwarza energii, a te o zbyt dużej energii zamieniają jej nadmiar na ciepło, co jeszcze bardziej zmniejsza efektywność paneli słonecznych, które w określonych temperaturach działają najefektywniej. Innym ograniczeniem tradycyjnych paneli słonecznych jest niestabilność ogniw krzemowych oraz ich stopniowe pogarszanie się, często z powodu obecności telluru, powszechnego zanieczyszczenia w materiałach do produkcji solarów.
Innowacyjne ogniwa fotowoltaiczne z Japonii
Na Uniwersytecie w Tokio stworzono panele słoneczne, w których po raz pierwszy połączono materiały dotychczas nieużywane do produkcji ogniw — tlenek tytanu (TiO₂) oraz selen (Se). Dzięki temu połączeniu udało się opracować nowy typ ogniw i usunąć problem niestabilności związanej z poziomem telluru międzyfazowego. Kombinacja tlenku tytanu z selenem umożliwia dokładne kontrolowanie poziomu telluru międzyfazowego, co pozwala na znaczny wzrost wydajności paneli słonecznych.
Pierwsze prototypy nowatorskich ogniw wykazały sprawność konwersji energii na poziomie 4,49%. Chociaż wynik ten może wydawać się niski w porównaniu z efektywnością paneli krzemowych wynoszącą około 18-24%, naukowcy zapewniają, że technologia ta ma ogromny potencjał. Przewiduje się, że fotowoltaika bazująca na selenie i tytanie osiągnie współczynnik konwersji energii nawet o 25% wyższy niż w przypadku tradycyjnych ogniw.
Innowacyjne połączenie selenu z tytanem
W trakcie badań uzyskano napięcie układu 0,795 V, a gęstość prądu zwarcia wyniosła 11,13 mA/cm² — są to wartości bardzo konkurencyjne, zwłaszcza że te ogniwa są wciąż w fazie testów i mają potencjał do znacznego zwiększenia efektywności.
Napięcie układu równe 0,795 V sugeruje wysoką jakość materiału fotoaktywnego i skuteczność rozdzielania ładunków elektrycznych w ogniwie. Dotychczas selen nie był uznawany za korzystny materiał dla fotowoltaiki, ale jego połączenie z tytanem znacząco poprawiło jego właściwości w tym aspekcie.
Gęstość prądu zwarcia to informacja o maksymalnej ilości prądu, jaką ogniwo może dostarczyć bez oporu. Wartość 11,13 mA/cm² wskazuje, że ogniwo skutecznie absorbuje światło słoneczne i wytwarza znaczną ilość energii.
Innowacyjne panele solarne z dwutlenkiem tytanu
Tytanowy dioksyd funkcjonuje jako półprzewodnik. Równocześnie absorbuje promieniowanie UV i przepuszcza światło widzialne. To podwójne działanie rozszerza zakres przechwytywanego światła słonecznego, co poprawia współczynnik przekształcania energii. W odróżnieniu od krzemu, który absorbuje głównie światło widzialne, pochłanianie promieniowania UV znacznie wpływa na całkowitą efektywność.
Panele stworzone przez japońskich badaczy wyróżniają się strukturą cienkowarstwową, w której zawartość telluru jest znacznie ograniczona. To zwiększa przyczepność pomiędzy warstwami, zmniejsza straty energii i zwiększa przewodność energii.
Tytan to materiał odporny na korozję oraz charakteryzujący się wysoką wytrzymałością mechaniczną. Te cechy sprawiają, że tokijskie panele będą idealnym rozwiązaniem w trudnych warunkach.
Wyzwania w produkcji nowoczesnych ogniw
Znaczącym ograniczeniem jest niestabilność ogniw stworzonych na bazie selenu. W warunkach laboratoryjnych osiągają one wysoką wydajność, jednak ich wytrzymałość i trwałość w obliczu zmiennych czynników zewnętrznych to zagadnienia, które wymagają szczegółowych i zaawansowanych badań.
Następnym wyzwaniem jest niezwykle wysoki koszt produkcji tytanu, który wynika z energochłonnego procesu jego ekstrakcji, czyli pozyskiwania i przerobu na metal. Naukowcy opracowali jednak nowatorską metodę produkcji tytanu z zastosowaniem itru. Dzięki temu pierwiastkowi chemicznemu produkcja tytanowych paneli słonecznych mogłaby stać się bardziej ekonomiczna. Niestety istnieje możliwość, że może on powodować poważne zanieczyszczenia i degradację ogniw — obecnie trwają badania nad rozwiązaniem tego problemu.