Japonia pokazuje nowe panele fotowoltaiczne. To przełom w kwestii wydajności!
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego zaprezentowali innowacyjne panele fotowoltaiczne, w których połączono dwa materiały, dotychczas nieużywane przy produkcji ogniw ze względu na szereg ograniczeń. Wyniki badań okazały się zaskakujące, a wynalazek stwarza wiele nowych możliwości i szans w dziedzinie fotowoltaiki.
- Ograniczenia efektywności tradycyjnej fotowoltaiki
- Naukowcy przedstawili innowacyjne połączenie materiałów
- Parametry uzyskane podczas badań — dlaczego są tak zaskakujące?
- Jak działają tytanowe panele słoneczne z Uniwersytetu Tokijskiego?
- Ograniczenia i wyzwania wynikające z innowacyjnego połączenia selenu i tytanu
Ograniczenia efektywności tradycyjnej fotowoltaiki
Tradycyjne i najpopularniejsze na rynku panele fotowoltaiczne to technologia oparta na krzemie. Panele krzemowe charakteryzują się stosunkowo wysoką sprawnością i efektywnością konwersji energii cieplnej na energię elektryczną — oscylująca na poziomie 18-24%. Wyższe wyniki osiągają panele fotowoltaiczne monokrystaliczne, natomiast panele polikrystaliczne charakteryzują się mniejszą wydajnością, ale również niższą ceną.
Mimo wysokiej wydajności panele krzemowe wiążą się z szeregiem ograniczeń, które w dużej mierze z wynikają z fizycznych właściwości. W technologii krzemowej nie wszystkie fotony (kwanty promieniowania elektromagnetycznego produkowane w całej objętości Słońca) są efektywnie i jednakowo absorbowane. Część fotonów o zbyt małej energii nie generuje energii, a te o zbyt wysokiej zmieniają nadmiar energii w ciepło, co dodatkowo obniża wydajność paneli fotowoltaicznych, które w określonych temperaturach pracują najwydajniej. Kolejnym ograniczeniem tradycyjnych paneli fotowoltaicznych jest niestabilność ogniw krzemowych oraz ich stopniowa degradacja, w wielu przypadkach wynikająca z obecności telluru, czyli powszechnego zanieczyszczenia w materiałach solarnych.
Naukowcy przedstawili innowacyjne połączenie materiałów
Na Tokijskim Uniwersytecie opracowano panele fotowoltaiczne, w których po raz pierwszy połączono materiały, dotąd nieużywane przy produkcji ogniw — tlenek tytanu (TiO₂) oraz selen (Se). Dzięki takiemu połączeniu możliwe było stworzenie nowego rodzaju ogniw i wyeliminowanie problemu niestabilności wynikającej z poziomu telluru międzyfazowego. Kombinacja tlenku tytanu oraz selenu pozwala na precyzyjne kontrolowanie poziomu telluru międzyfazowego, a to umożliwia znaczny wzrost wydajności paneli fotowoltaicznych.
Pierwsze prototypy innowacyjnych ogniw wykazały efektywność konwersji mocy na poziomie 4,49%. Wynik ten może wydawać się niski w porównaniu z efektywnością paneli krzemowych wynoszącą ok. 18-24%, ale jak zapewniają naukowcy, technologia ta ma ogromny potencjał. Szacuje się, że fotowoltaika oparta na selenie i tytanie osiągnie współczynnik konwersji energii nawet o 25% większy niż w przypadku ogniw tradycyjnych.
Parametry uzyskane podczas badań — dlaczego są tak zaskakujące?
Podczas badań udało się osiągnąć napięcie obwodu 0,795 V, a gęstość prądu zwarciowego wyniosła 11,13 mA/cm² — to wartości wysoce konkurencyjne, zwłaszcza że ogniwa te pozostają w fazie badań i wykazują potencjał do znacznego wzrostu wydajności.
Napięcie obwodu wynoszące 0,795 V wskazuje na wysoką jakość materiału fotoaktywnego i efektywności separacji ładunków elektrycznych w ogniwie. Dotąd selen nie uchodził za materiał korzystny dla fotowoltaiki, ale połączenie go z tytanem znacznie poprawiło jego właściwości w tym zakresie.
Gęstość prądu zwarciowego to informacja o tym, jaką maksymalną ilość prądu ogniwo może dostarczyć bez oporu. Wartość 11,13 mA/cm² świadczy o tym, że ogniwo efektywnie absorbuje światło słoneczne i generuje znaczną ilość energii.
Jak działają tytanowe panele słoneczne z Uniwersytetu Tokijskiego?
Dwutlenek tytanu działa jak półprzewodnik. Jednocześnie pochłania promieniowanie ultrafioletowe i przepuszcza światło widzialne. Ta podwójna zdolność rozszerza spektrum przechwytywanego światła słonecznego, co zwiększa współczynnik konwersji energii. W przeciwieństwie do krzemu, który pochłania głównie światło widzialne, absorpcja promieniowania ultrafioletowego znacznie wpływa na ogólną wydajność.
Panele wynalezione przez japońskich naukowców charakteryzują się cienkowarstwową strukturą, w której występowanie telluru jest znacznie mniejsze. Wzmacnia to przyczepność między warstwami, minimalizuje straty energii i maksymalizuje przewodzenie energii.
Tytan to materiał odporny na korozję oraz posiadający wysoką wytrzymałość mechaniczną. Cechy te sprawiają, że tokijskie panele staną się idealnym rozwiązaniem do trudnych warunków.
Ograniczenia i wyzwania wynikające z innowacyjnego połączenia selenu i tytanu
Istotnym ograniczeniem okazuje się niestabilność ogniw wyprodukowanych na bazie selenu. W warunkach laboratoryjnych wykazują wysoką efektywność, ale ich odporność i trwałość na zmienne czynniki zewnętrzne to kwestie, które wymagają konkretnych i zaawansowanych testów.
Kolejnym wyzwaniem jest bardzo wysoki koszt produkcji tytanu, który wynika z energochłonnego procesu ekstrakcji, czyli pozyskiwania i przerabiania na metal. Naukowcom udało się jednak opracować innowacyjną metodę produkcji tytanu z wykorzystaniem itru. Dzięki temu pierwiastkowi chemicznemu produkcja tytanowych paneli słonecznych mogłaby stać się bardziej opłacalna. Niestety okazuje się, że może on powodować znaczne zanieczyszczenia i degradację ogniw — obecnie prowadzone są badania nad rozwiązaniem tej kwestii.