Większość starań na rzecz ulepszania paneli słonecznych skupia się głównie wokół zwiększania wydajności konwersji energii słonecznej w prąd elektryczny bądź na obniżaniu kosztów ich produkcji. Natomiast naukowcy z Massachusetts Institute of Technology otwierają nową ścieżkę udoskonalania ogniw mającą na celu wytworzenie najcieńszych i najlżejszych paneli słonecznych jakie są możliwe.
Takie oto panele, mające potencjał do przewyższenia jakiejkolwiek substancji (za wyjątkiem uranu wykorzystywanego w reaktorach jądrowych) pod względem produkcji energii elektrycznej na kilogram materiału mogą być wykonane z piętrowo ułożonych arkuszy materiałów o grubości jednego atomu takich jak grafen czy też dwusiarczku molibdenuJeffrey Grossman, profesor energetyki na MIT mówi o nowym rozwiązaniu „…to osiągnięcie przesuwa nas w kierunku ostatecznej, szczytowej wydajności uzyskiwania energii elektrycznej z materiału”. Grossman jest głównym autorem artykułu opisującego ten innowacyjny pomysł, opublikowany w czasopiśmie Nano Letters. Chociaż naukowcy w ostatnich latach poświęcili wiele uwagi na temat potencjału energetycznego materiałów dwuwymiarowych takich jak chociażby grafen, to niewiele uwagi poświęcono badaniom na temat zastosowań ich w panelach słonecznych. Okazuje się że materiały te nie tylko nadają się do zastosowań w energetyce solarnej, ale również są poważnym konkurentem dla krzemu.
Przy użyciu dwóch warstw materiałów o grubości jednego atomu, Grossman i jego zespół badaczy przewidują że wydajność przetwarzania energii słonecznej w prąd elektryczny będzie wynosić od 1 – 2 %. Co jest bardzo słabym wynikiem w porównaniu do standardowych krzemowych ogniw słonecznych ale efekt ten jest osiągnięty za pomocą materiału tysiąc razy cieńszego. Dwuwarstwowe ogniwo słoneczne posiada grubość zaledwie 1 nanometra podczas gdy ogniwa krzemowe są setki tysięcy razy grubsze. Piętrowe układanie kilku dwuwymiarowych warstw może znacznie zwiększyć wydajność konwersji energii na prąd.„Układanie kilka warstw jedna na drugiej umożliwia uzyskanie większej wydajności przy zachowaniu wymiarów w skali nanometrów co skutecznie może konkurować z dobrze ugruntowanymi technologiami ogniw słonecznych” – mówi Marco Bernardi, doktor na wydziale Inżynierii Materiałowej na MIT. „Do zastosowań gdzie waga jest decydującym czynnikiem – jak statek kosmiczny, samolot, lub do użytku w odległych rejonach wciąż rozwijającego się świata, gdzie koszty transportu są znaczące – takie lekkie ogniwa słoneczne mają już ogromny potencjał” – dodaje Bernardi.
Ogniwa słoneczne nowej generacji o identycznych rozmiarach jak ich konwencjonalne krzemowe odpowiedniki wyprodukują tysiąc razy więcej energii elektrycznej i to na grubości jednego nanometra (jedna miliardowa część metra). Jest to około 20 – 50 razy cieńsze ogniwo słoneczne od tych jakie mogą być wykonywane do tej pory z krzemu. “Niewykonalnym jest stworzenie cieńszych ogniw słonecznych, to po prostu fizycznie niemożliwe w perspektywie kilku najbliższych wieków” – dodaje prof. Grossman. Smukłość nie jest jedynie korzyścią pod względem transportu lecz również pod względem łatwości montażu paneli. O ponad połowę redukuje koszty konstrukcji wsporczej, instalacji, okablowania i systemów kontroli poprzez zastosowanie lżejszych struktur. Ponadto sam materiał jest mniej kosztowny niż wysoce czysty krzem używany w standardowych panelach słonecznych a co więcej wymaga niewielkiej ilości surowca ponieważ arkusze są rozmiarów nanometrów.
John Hart, adiunkt inżynierii mechanicznej, inżynierii chemicznej oraz sztuki i designu na University of Michigan mówi: „To nowe ekscytujące podejście do projektowania ogniw słonecznych, a dodatkowo imponujący przykład jak uzupełniające się nanomateriały mogą być projektowane aby stworzyć nowe urządzenia do wytwarzania energii”. Dołączył on do wydziału MIT tego lata, ale nie miał okazji brać udziału w badaniach. Mimo to oczekuje, że elastyczność oraz wytrzymałość mechaniczna ogniw grafenowo – siarczkowo molibdenowych będzie na tyle atrakcyjna, że przełoży się w przyszłości na formowanie skomplikowanych kształtów paneli.
Jak uważają sami badacze, wskazanie na wielki potencjał energetyczny materiałów w postaci warstw dwuwymiarowych to dopiero początek. A materiały użyte w ich pracy: disiarczek molibdenu i diselenek molibdenu są tylko dwoma typami z szerokiej gamy odkrytych monowarstw, a tych nieodkrytych jest jeszcze więcej, nie mówiąc już o kombinacjach typu sandwich których są tysiące. „Istnieje cała kopalnia tego typu materiałów które możnaby zbadać pod tym kątem. Mam nadzieję że ta praca stanie się punktem wyjścia dla nowych technologii solarnych w których zastosowanie znajdą nanowarstwowe materiały ale i nie tylko” – powiedział prof. Grossman.
Obecnie, pomimo braku metody wytwarzania disiarczku molibdenu i diselenku molibdenu na skalę przemysłową, materiały pozostają w dalszym ciągu w obszarze intensywnych badań. „Zdolności produkcyjne tych materiałów są zasadniczą kwestią w tej sprawie, ale myślę że nie ma problemów nie do rozwiązania. Dodatkową zaletą tego rodzaju materiałów jest ich długotrwała stabilność nawet na otwartym powietrzu, w świetle UV czy też przy znacznej wilgotności, w przeciwieństwie do ogniw krzemowych gdzie muszą być one ochraniane ciężkimi i drogimi warstwami szkła. Praca do tej pory opiera się na komputerowym modelowaniu materiałów, ale już trwają pierwsze kroki w kierunku wytworzenia nowoczesnych nanopaneli. Myślę że jest to wierzchołek góry lodowej jeśli chodzi o wykorzystanie dwuwymiarowych nanomateriałów w uzyskiwaniu energii odnawialnej” – powiedział prof. Grossman.
Źródło:
[1] Marco Bernardi, Maurizia Palummo, Jeffrey C. Grossman.Extraordinary Sunlight Absorption and 1 nm-Thick Photovoltaics using Two-Dimensional Monolayer Materials. Nano Letters, 2013
[2] Solar cells by Mountain by Ash, flickr.com, CC BY 2.0