Czy szyby zamontowane w naszych domach będą mogły generować energię elektryczną tak jak panele fotowoltaiczne? Być może wkrótce stanie się to możliwe, gdyż współpraca naukowców z Los Alamos National Laboratory w Stanach Zjednoczonych oraz University of Milano-Bicocca (UNIMIB) we Włoszech przyniosła rezultat w postaci nowej generacji kropek kwantowych osadzonych w matrycy przezroczystego polimeru. To własnie dzięki nim, transparentna szyba ma działać jak panel fotowoltaiczny i konwertować przechwyconą energię słoneczną na elektryczną.
Szyby ze związkami chemicznymi stosowanymi w panelach solarnych są już dostępne na rynku od kilku miesięcy. W ubiegłym roku informowaliśmy o kolorowym szkle wytworzonym przez firmę Oxford Photovoltaics, które według autorów osiągnęły 10,9% sprawności przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną. Półprzezroczyste szyby muszą być jednak barwione, a wytrzymałe powłoki działające jak ogniwa pracują najwydajniej z kolorem czarnym, następnie zielonym, czerwonym i niebieskim. Jednak dopiero najnowsze doniesienia bazujące na badaniach kropek kwantowych mogą sprawić, że tego typu urządzenia staną się wystarczająco efektywne i zachęcające do zakupu.
Kropki kwantowe (z ang. quantum dots) to półprzewodnikowe układy, w których wiązane są nośniki ładunków (elektrony i dziury). Sztuczne twory ograniczone są w trzech wymiarach barierami potencjału, co oznacza kwantyzację w każdym z poszczególnych kierunków. Kropki kwantowe uzyskuje się przez utworzenie odpowiedniej struktury na podłożu za pomocą litografii (trawienia), metod epitaksjalnego wzrostu kryształów lub też na drodze syntezy wewnątrzmicelarnej (roztwory koloidalne). Podobnie jak atom, pojedyncza kropka kwantowa posiada poziomy energetyczne będące odpowiednikiem poziomów atomowych. Analogicznie wygląda sytuacja w przypadku pobudzania światłem do wyższych stanów energetycznych – wówczas obserwujemy emisję promieniowania, towarzyszącą powrotom do stanów o mniejszych energiach. Na bazie kropek kwantowych zbudowanych jest wiele urządzeń, w tym tranzystory, diody elektroluminescencyjne, lasery, znaczniki medyczne, nośniki leków, ogniwa barwnikowe DSSC (z ang. dye sensitized solar cells).
Badacze z LANL oraz UNIMIB zaprojektowali i wykonali tzw. luminescencyjny koncentrator energii promieniowania słonecznego (z ang. luminescent solar concentrator, LSC). Aparatura w formie płyty lub folii polimerowej zawiera centra luminescencyjne, dzięki którym padające promieniowanie słoneczne jest absorbowane. Polimerowa matryca koncentratora pracuje jak światłowód. Ograniczają ją krawędzie, gdzie umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Zaabsorbowane przez centra (kropki) promieniowanie przesyłane jest do krawędzi koncentratora, gdzie następnie ulega ono konwersji na energię elektryczną. Centra działają jak zbiór pochłaniających światło anten, które skupiają promieniowanie słoneczne zebrane z dużego obszaru na znacznie mniejszą powierzchnię ogniw PV umieszczonych po bokach. Przekłada się to na znaczne zwiększenie intensyfikacji produkcji energii.
Innowacyjne urządzenie oparte na kropkach kwantowych posiadało wywołane sztucznie, duże oddzielenie pasma absorpcji od pasma emisji (tzw. duże przesunięcie Stokesa). Kropki kwantowe zbudowane były ze struktur selenku kadmu i siarczku kadmu (CdSe/CdS). Absorpcja światła odbywała się przez stosunkowo grubą powłokę z CdS, a emisja następowała dzięki wnętrzu z CdSe. Rozdzielenie funkcji absorpcji i emisji światła między dwoma elementami nanocentrum luminescencyjnego, znacznie zmniejszała straty podczas ponownego wchłaniania promieniowania.
Kropki kwantowe absorbują promieniowanie i transportują je przez matrycę z tworzywa sztucznego PMMA do ogniw PV na krawędziach [5].
Tak działające kropki kwantowe umieszczono w przezroczystej polimerowej płycie z polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach odpowiadających standardowym szybom. Pomiary spektroskopowe nie wykazały praktycznie żadnych strat podczas przesyłu promieniowania na odległości kilkudziesięciu centymetrów. Ponadto, badania z zastosowaniem symulowanego promieniowania słonecznego dowiodły, że urządzenie posiadało wydajność pochłaniania fotonów na poziomie około 10% (dla oka ludzkiego płyta z kropkami kwantowymi była przezroczysta jak tradycyjna szyba).
Inżynierowie przekonują, że ich prototyp doskonale nadaje się budowy fotowoltaicznych szyb okiennych. Badacze są zdania, że dalsze testy nad zastosowaniem kropek kwantowych w wielkopowierzchniowych LCS z niezależnie przestrajanymi widmami emisji i absorpcji doprowadzą do poprawy ich efektywności oraz powstania nowych, ciekawych koncepcji.
Źródło:
[1] Francesco Meinardi, Annalisa Colombo, Kirill A. Velizhanin, Roberto Simonutti, Monica Lorenzon, Luca Beverina, Ranjani Viswanatha, Victor I. Klimov, Sergio Brovelli. Large-area luminescent solar concentrators based on ‘Stokes-shift-engineered’ nanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix. Nature Photonics, 2014; DOI: 10.1038/nphoton.2014.54
[2] http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n5/full/nphoton.2014.54.html [27.04.2014]
[3] http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n5/extref/nphoton.2014.54-s1.pdf [27.04.2014]
[4] http://www.lanl.gov/newsroom/news-releases/2014/April/04.14-shiny-quantum-dots.php [27.04.2014]
[5] QD/PMMA LSC structure, Copyright by Los Alamos National Laboratory
[6] IMG_0713 by Ronald Sarayudej, flickr.com, CC BY 2.0