Niedrogie i wydajne ogniwa słoneczne
Zespół naukowców z Unii Europejskiej stworzył sieć badawczą do opracowania nowych ogniw fotowoltaicznych (PV). Grupa scharakteryzowała szereg różnych materiałów i zbadała nowe metody nanoszenia, co daje nadzieję na tanie wytwarzanie nowych wydajnych ogniw.
Fotowoltaiczne ogniwa słoneczne produkują energię elektryczną ze światła. Choć technologia ich wytwarzania została udoskonalona, dzisiejsze materiały są nadal mało wydajne i drogie.
Dlatego powstał projekt NANOCIS (Development of a new generation of CIGS-based solar cells), finansowany ze środków UE, w ramach którego powstała sieć wymiany naukowej. Do celów badania należało opracowanie nowych, niedrogich materiałów, co pozwoliłyby osiągnąć wydajność rzędu 63%. Naukowcy skupili się na ogniwach z mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu (CIGS), które wytwarzane są w procesie nanoszenia warstwy materiałów półprzewodnikowych na szkło lub plastik. Takie ogniwa mają szereg zalet. Jedną z nich jest względnie cienka warstwa półprzewodnika, która jest elastyczna i jednocześnie posiada niezwykłe właściwości absorpcji światła. Naukowcy badali konstrukcję, proces wytwarzania i właściwości ogniw CIGS i innych materiałów kandydujących testując nowe koncepcje przemiany światła w prąd elektryczny przez ogniwa fotowoltaiczne.
Przy użyciu modelowania kwantowego zespół ocenił i ustalił struktury różnych nowych materiałów czułych na pasma o pośredniej długości fali. Jednym z efektów prac jest dokonanie obliczeń rozpraszania wstecznego i innych właściwości optycznych materiałów. Powstała lista odpowiednich kandydatów i metod nanoszenia warstw na powierzchnię. Naukowcy eksperymentowali z różnymi kombinacjami, aż wybrali metodę elektrodepozycji (ED). Posiada ona dużą przewagę nad innymi technologiami m.in. dlatego, że umożliwia wytwarzanie komponentów wysokiej jakości o 50% taniej w porównaniu z metodami alternatywnymi. Dodatkowo, proces produkcji wydajnych warstw fotowoltaicznych jest szybki i niezawodny. Naukowcy zaadaptowali metodę ED do innych materiałów, w tym absorberów, oraz rozważali syntezę warstw buforowych. Jako optyczną warstwę ograniczającą wybrano związek cynku (ZnO:CL). Materiał jest łatwy w zastosowaniu, a po połączeniu z rozpuszczalnikiem organicznym jest wystarczająco transparentny i stabilny.
Wykorzystując testowane materiały i metody, konsorcjum zbudowało ogniwo PV w skali laboratoryjnej. Choć wydajność konwersji urządzenia była bardzo niska, zespołowi udało się ustalić, że czynnikiem odpowiedzialnym za taki stan rzeczy była temperatura wyżarzania procesu produkcyjnego. Zespół przetestował i opisał właściwości obiecujących materiałów na bazie nanofosforu. W oparciu o wyniki testów zoptymalizowano projekt architektoniczny przyszłych urządzeń fotowoltaicznych. Prace wykonane w projekcie dają szansę na powstanie nowej generacji niedrogich ogniw słonecznych odznaczających się wysoką wydajnością.
Sfinansowano z środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Toruniu w ramach projektu "Ekoinnowacje w inteligentnych miastach"