Kierunki rozwoju organicznych ogniw słonecznych

Dotychczas używane do tego celu ogniwa fotowoltaiczne są wytwarzane na bazie materiałów nieorganicznych, przede wszystkim krzemu. Nieorganiczne ogniwa fotowoltaiczne charakteryzują się znaczną wydajność przetwarzania energii słonecznej na elektryczną, ale są zbyt drogie i często ich utylizacja nastręcza problemy.

Te trudności stały się ostatnio przyczyną intensywnego rozwoju ogniw fotowoltaicznych wytwarzanych na bazie materiałów organicznych. Skuteczność przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną w tego typu rozwiązaniach wzrosła od początku lat dziewięćdziesiątych do dziś ok. 150 razy i obecnie dochodzi do 16%. Znanych jest już wiele rodzajów związków organicznych, które posiadają odpowiednie parametry, by stać się atrakcyjnymi na rynku komercyjnym.

 

Główną zaletą i czynnikiem, który motywuje rozwój fotowoltaiki organicznej, jest potencjalnie kilkukrotnie niższa cena wytwarzania energii w przeliczeniu na jednostkę powierzchni ogniwa. Szacuje się, że docelowo organiczne ogniwa fotowoltaiczne będą ok. 10 razy tańsze niż ogniwa krzemowe. Także takie cechy jak niska toksyczność, niebywała lekkość i elastyczność, osiągnięta dzięki użyciu polimerów, pozwalają przypuszczać, że organiczne ogniwa fotowoltaiczne będą miały masowe zastosowanie. Można je instalować niemalże wszędzie: na ubraniach, torbach, namiotach, dachach i ścianach budynków, gdyż wystarczy wyciąć odpowiedni arkusz ze specjalnie wytworzonej folii i dołączyć przewody. Już niedługo będziemy mogli mieć plecak lub kurtkę, za pomocą której naładujemy nasze baterie, np. w telefonach, laptopach czy odtwarzaczach MP³.

Ciekawym zastosowaniem może być także system chłodzący zamontowany w przenośnej lodówce, który czerpie energię właśnie z tych ogniw i przykładowo chłodzi napoje na plaży. Infrastruktura uliczna, przystanków autobusowych czy innych obiektów może w dzień pobierać energię bezpośrednio z ogniw i zasilać różne urządzenia, a w nocy z naładowanych uprzednio baterii także oświetlać teren. Latarnie uliczne czy nawet sygnalizacje świetlne dzięki niskim kosztom i prostym systemom zasilania będą mogły być więc powszechnie stosowane. Warto zaznaczyć, że niektóre z budowanych ogniw wykazują częściową przeźroczystość, co pozwala na wykorzystanie całej powierzchni okiennej, a także ścian i dachów do zasilania klimatyzacji.

W ciągu ostatnich lat naukowcy badali liczne grupy związków organicznych, z których najbardziej obiecujące to pochodne fullerenów, przewodzące polimery, materiały akceptorowe i donorowe, a także wybrane hybrydowe złącza typu materiał organiczny i materiał nieorganiczny. Nowoczesne procesy wytwórcze umożliwiają produkcję masową tanim kosztem, przy niskim zużyciu materiałów, co daje nadzieję na znaczący sukces komercyjny organicznych ogniw fotowoltaicznych. Na rynku światowym z dużym powodzeniem działają komercyjnie firmy, takie jak Konarka, Heliatek, Konica Minolta czy Solarmer, oferujące organiczne ogniwa fotowoltaiczne. Przedsiębiorstwa te ściśle współpracują z placówkami badawczymi, co zapewnia obopólne korzyści partnerom takiego układu.

 

Ważnym momentem dla rynku energii słonecznej było otwarcie fabryki organicznych ogniw fotowoltaicznych w Massachusetts w 2008 r. przez firmę Konarka. Fabryka ma możliwość rocznej produkcji ogniw organicznych o sumarycznej mocy ok. 1 gigawata. Ogniwa są wytwarzane z użyciem już istniejącej technologii wytwórczej firmy Polaroid, wykorzystywanej w produkcji filmów niezbędnych w obrazowaniu medycznym. Eksperci uważają, że pozwala to dopasować wytwarzanie ogniw organicznych do wymagań rynku i zredukować koszty o 90% w stosunku do konstruowania nowych linii produkcyjne.

Produkty firmy Konarka bazują na fotoreaktywnych wyrobach wykonanych z przewodzących polimerów oraz materiałów organicznych, stworzonych przy użyciu nanotechnologii. Dzięki temu, że te produkty są elastyczne, znajdują wiele nowych zastosowań komercyjnych. Firma Konarka zajmuje się sprzedażą ogniw innym producentom, którzy wykorzystują je w swoich produktach docelowych. Seria zwana Power Plastic jest aktualnie w fazie rozwojowego stosowania przez licznych partnerów Konarki, a aplikacje tej technologii są naprawdę imponujące. Chodzi tu np. o podręczne ładowarki baterii, laptopów i odtwarzaczy, zasilacze różnorodnych czujników i nadajników, czy folie fotowoltaiczne zasilające różne urządzenia codziennego użytku, takie jak golarki lub szczoteczki do zębów. Ogniwa organiczne są obecnie instalowane na namiotach i plecakach, generatorach awaryjnych dla systemu komunikacji policji i pogotowia lub jako parkingowe ładowarki zasilające samochody hybrydowe. Ponadto używa się ich w celach militarnych, a często ogniwami są pokrywane okna i ściany zewnętrzne w budynkach. Ogniwa osiągają obecnie moc ok. 17 W/m² przy napięciach wyjściowych 16 V lub 8 V. Źródła zasilania można swobodnie łączyć szeregowo lub równolegle, uzyskując wyższe napięcie. Niektóre produkty komercyjne są na razie dosyć drogie, gdyż cena torby zasilanej ogniwami organicznymi wynosi ok. 450 dol. Obecnie na rynku można spotkać już szereg produktów tekstylnych z ogniwami firmy Konarki. Sprzedażą tych wyrobów zajmuje się firma Noon.

Prostota produktu Power Plastic polega na tym, że ogniwa organiczne są łatwe w adaptacji do niemalże dowolnego nośnika oraz pozwalają czerpać energię słoneczną zarówno na zewnątrz, jak i pod dachem, i to nawet przy kątach padania rzędu 70 stopni względem kierunku promieni słonecznych.

 

Warto także wspomnieć o nowatorskim projekcie duetu firm Konarka oraz Arch Aluminum & Glass, który polega na obłożeniu jednej ze ścian biura budynku firmy na Florydzie ogniwami słonecznymi w celu sprawdzenia efektywności zastosowań ogniw. Technologia firmy Konarka pozwala użytkować energię słoneczną niemalże od świtu do zmierzchu dzięki szerokiemu kątowi absorpcji padającego promieniowania. Ambitne plany na przyszłość przewidują nawet tworzenie zintegrowanych z materiałami budowlanymi ogniw organicznych, które zastąpią dzisiejsze materiały używane do budowy dachów czy ścian.

Konarka współpracuje również z firmą Konica Minolta. W marcu bieżącego roku Konica zainwestowała 20 mln dolarów w rozwój badań prowadzonych przez Konarkę. Oba przedsiębiorstwa mają prowadzić wspólne przedsięwzięcie w Japonii, którego celem jest produkcja cienkowarstwowej fotowoltaiki. Sama firma Konica Minolta intensywnie inwestuje w projekty, takie jak pokrycie całego dachu jednej ze swoich placówek w mieście Saventem w Belgii. Taka instalacja wytwarza corocznie 115 megawatogodzin, co pozwala na całkowite uniezależnienie się od konwencjonalnych źródeł energii dla ok. 30% pomieszczeń i nowocześnie wyposażonej sali multimedialnej. Dodatkowo, oblicza się, że emisja CO₂ jest mniejsza o ok. 46 ton rocznie.

Szczególne plany produkcyjne na najbliższy rok posiada firma Solarmer, do której należy rekord sprawności komercyjnych organicznych ogniw fotowoltaicznych wynoszący 7,9%. Przewidywany koszt metra kwadratowego organicznych ogniw fotowoltaicznych to 30-50 dolarów za metr kwadratowy, moc wyjściowa ma wynosić 30 W na m², a czas życia to ok. 1-3 lata. Przewiduje się, że przezroczystość ogniw osiągnie wartość 45% i będą one dostępne w kolorach: czerwonym, niebieskim, fioletowy oraz ciemna zieleń. Mają ważyć zaledwie ok. 100g/m² i być nietoksyczne dla środowiska oraz łatwo poddawać się recyklingowi. Dalszym celem firmy jest obniżenie kosztów wytwarzania energii do 12-15 c/kWh oraz kosztów produkcji do wynoszącej mniej niż 1 dol./Watt.

Firma Heliatek w produkcji organicznych ogniw fotowoltaicznych bazuje głównie na materiałach organicznych absorbujących w zielonym i czerwonym obszarze widma optycznego oraz na wykorzystaniu trójwarstwowych ogniw. Firma skupia się również na syntezie tychże materiałów oraz na możliwości ich przetwarzania po czasie użytkowania. Wysoki stopień czystości materiałów organicznych wydłuża czas życia ogniw, co jest niezwykle ważne. Heliatek przyjął strategię, dzięki której zamierza uzyskać sprawność rzędu 8-10% w ciągu najbliższych trzech lat. Do realizacji pierwszych testów posłuży zautomatyzowana linia produkcji w Fraunhofer IPMS (Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems) w Dreźnie.

 

Przyszłość organicznej fotowoltaiki zależy szczególnie od tego, czy cena jednego wyprodukowanego wata i skala produkcji sprostają wymaganiom rynku źródeł energii odnawialnych. Aktualnie najważniejszym wyzwaniem dla inwestorów jest znalezienie unikalnej niszy, którą mogą wypełnić ogniwa organiczne trzeciej generacji. Najbardziej oczywiste miejsca zastosowań to giętkie materiały i tekstylia codziennego użytku: ubrania, torby, parasole oraz namioty. Duże nadzieje są wiązane z pokrywaniem dużych powierzchni struktur miejskich oraz obiektów przenośnych. Ogniwa takie mogą się okazać bezkonkurencyjne w miejscach, do których doprowadzenie linii energetycznych jest bardzo trudne lub całkowicie nieopłacalne. Należy jednak zasygnalizować, że aktualnie czas życia ogniwa nie przekracza 3-4 lat, co ogranicza długotrwałe inwestycje, zwłaszcza w budownictwie, w przypadku którego wartość ta okazuje się o 10 razy za mała. Napawa jednak optymizmem fakt, że czas życia ogniw jest priorytetowym kierunkiem badań w zakresie rozwijania tej technologii.

Aktualnie rynek ogniw słonecznych odnotowuje intensywny wzrost, przyciągając inwestorów i klientów. Wiele państw dofinansowuje budowę instalacji wprowadzających urządzenia z użyciem ogniw. Istotne mogą również okazać się wymagania stawiane przez Unię Europejską dotyczące ilości energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych. Sukces ogniw organicznych wydaje się bardziej realny, niż innych technologii, np. bazujących na krzemie, z powodu swoich niezliczonych potencjalnych aplikacji, niskiej ceny, nietoksyczności i braku kłopotów z recyklingiem.

1.      http://www.konarka.com

2.      http://www.konicaminolta.com

3.      http://www.pv-tech.org/

4.      http://www.solarmer.com/

Adam Wróbel

Jacek Wąsik, prof. dr hab.

Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska