Nowe perspektywy rozwoju fotowoltaiki
Zjawisko fotowoltaiczne polega na tym, że w wyniku oświetlenia w obwodzie zewnętrznym pojawia się napięcie elektryczne. Następuje więc bezpośrednia konwersja energii słonecznej w energię elektryczną.
W porównaniu z innymi odnawialnymi źródłami energii fotowoltaika ma potencjał zdolny pokryć całkowite zapotrzebowanie ludzkości na energię elektryczną.
Dotychczas wykorzystywane materiały do produkcji ogniw fotowoltaicznych są typu nieorganicznego, a należą do nich np. german, krzem, arsenek galu (GaAs), krzem amorficzny (a-Si) i jego stopy, tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CiS). Wydajność komercyjnych ogniw zbudowanych z tych materiałów nie przekracza 12%, jednak ich ogromną wadą jest zbyt wysoki koszt w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii elektrycznej.
W Europie i na świecie opracowywane są liczne projekty, tzw. Research and Development (R&D), dotyczące strategii rozwoju fotowoltaiki, gdzie podstawowym celem jest wzrost wydajności ogniw fotowoltaicznych oraz spadek cen ich produkcji, instalacji i eksploatacji.
Także Japończycy opracowali własne plany rozwoju fotowoltaiki, które ukazują perspektywy rozwoju fotowoltaiki w ujęciu światowym. W planach tych jedną z podstawowych dróg rozwoju jest poprawa wydajności, zmniejszenie kosztów produkcji i instalowania ogniw nieorganicznych oraz masowe wdrażanie do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych nowych materiałów – przede wszystkim materiałów organicznych. Materiały organiczne stanowią ważną perspektywę dla masowej produkcji ogniw fotowoltaicznych ze względu na niski koszt wytwarzania i instalacji oraz wiele nowych cennych zalet wytwarzanych z tych materiałów ogniw, takich jak elastyczność, giętkość i lekkość, co otwiera nowe możliwości praktycznych zastosowań ogniw fotowoltaicznych.
Organiczne ogniwa fotowoltaiczne
Mimo iż obecnie powszechnie używane materiały do celów produkcji ogniw fotowoltaicznych są typu nieorganicznego, to w ostatnich 20 latach ogromny wysiłek został włożony w rozwój organicznych ogniw fotowoltaicznych1-5. Pierwsze generacje organicznych ogniw fotowoltaicznych stanowiły ogniwa złożone z jednej warstwy materiału organicznego, umieszczonego pomiędzy elektrodami. Wydajność tych ogniw była bardzo niska, rzędu 10-2%.
Schemat budowy najprostszych organicznych ogniw fotowoltaicznych, zawierających jedną oraz dwie warstwy materiału organicznego, przedstawia rys. 13, 5.
Rys. 1. Schemat jednowarstwowego i dwuwarstwowego ogranicznego ogniwa fotowoltaicznego
Zasada działania organicznych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na procesach powodowanych przez ekscytony, które wytwarza światło w materiałach molekularnych. Zwykle światło generuje ekscytony typu Frenkla, rzadziej ekscytony charge-transfer (CT)1, 2. Wytworzone przez światło ekscytony dyfundują wewnątrz materiału molekularnego i mogą dysocjować na dwa rodzaje nośników ładunku na elektrodach lub na złączach materiałów. Po wytworzeniu dwóch rodzajów nośników ładunków kolejne procesy powinny doprowadzić do ich rozdziału, tak aby powstał prąd w obwodzie zewnętrznym. Im efektywniejszy jest rozdział wytworzonych przez ekscytony nośników ładunku, tym wydajniejsze jest przetwarzanie energii optycznej w ogniwie fotowoltaicznym.
W pierwszych ogniwach jednowarstwowych wydajność rozdziału nośników ładunku była niezbyt wielka, dlatego poszukiwano i wciąż poszukuje się wydajniejszych na to sposobów. Znaczny przełom w tym względzie nastąpił dzięki koncepcji dwuwarstwowych ogniw fotowoltaicznych, czyli ogniw zbudowanych z dwóch warstw organicznych umieszczonych pomiędzy elektrodami. Obecnie dwuwarstwowe organiczne ogniwa fotowoltaiczne osiągają wydajność do ok. 5%. Jest to już wystarczająca wydajność energetyczna, możliwa do praktycznego wykorzystania.
Ostatnio nastąpił ogromny postęp w wytwarzaniu przewodzących polimerów, oraz materiałów donorowych i akceptorowych, które zostały zastosowane do budowy fotowoltaicznych ogniw organicznych oraz innych elementów elektronicznych elektroniki molekularnej. Postęp w zakresie wytwarzania nowych materiałów organicznych doprowadził do gwałtownego rozwoju nowego typu ogniw fotowoltaicznych, opartych na złączach polimer-materiał organiczny, heterozłączach objętościowych oraz do budowy ogniw hybrydowych. Szczególnie interesujące są organiczne układy fotowoltaiczne, zawierające molekularne lub polimerowe materiały donorowo-akceptorowe, jako materiały optycznie czynne w zjawisku fotowoltaicznym. Schemat takiego procesu powodującego rozdział nośników ładunku z udziałem fotonu przedstawia rys. 25.
Rys. 2. Schemat optycznego procesu przeniesienia elektronu pomiędzy donorem (P3HT) i akceptorem ([6-6]-PCBM), wykorzystywany w zjawisku fotowoltaicznym
Ogromny postęp dotyczący badań, bazy technicznej i technologicznej w zakresie organicznych ogniw fotowoltaicznych pozwala sądzić, iż będą one stanowić konkurencyjną alternatywę wielu ogniw konwencjonalnych, zbudowanych na bazie materiałów nieorganicznych. Aby rozpocząć masową produkcję, dążono do osiągnięcia wydajności rzędu 10%. Przy tak ogromnym tempie rozwoju tej dziedziny nauki i techniki szacowano, iż granica ta zostanie osiągnięta w ciągu najbliższych 10 lat. Jednakże już w 2005 r. pojawiła się informacja, iż w laboratorium została osiągnięta wydajność organicznych ogniw fotowoltaicznych ponad 11%4, a niektóre firmy produkujące ogniwa doszły nawet do 15%. Produkcja organicznych ogniw fotowoltaicznych na mniejszą skalę jest już realizowana od kilku lat, a ostatnie osiągnięcia w tej dziedzinie wskazują, że wiele firm światowych wchodzi w fazę masowej produkcji.
Zalety i zastosowanie
Obecny koszt wytwarzania ogniw nieorganicznych wynosi ok. 500 – 1000 dol./m2 i w najbliższym czasie nie należy oczekiwać znacznego jego zmniejszenia. Spodziewany koszt wytwarzania organicznych ogniw fotowoltaicznych powinien zejść poniżej 50 dol./m2. W przyszłości będą one ok. 10 razy tańsze niż nieorganiczne. Niezwykle zachęcające są także inne cechy organicznych ogniw fotowoltaicznych, zwłaszcza ich lekkość, elastyczność i to, że mogą być produkowane w postaci cienkich elastycznych folii. Schemat odpowiednio wykonanej folii organicznej, wytwarzającej napięcie fotowoltaiczne, przedstawia rys. 3.
Rys. 3. Schemat elastycznego ogniwa fotowoltaicznego produkowanego przez firmę Konarka Technologies, USA
Nowe parametry i właściwości organicznych ogniw fotowoltaicznych, poza klasycznymi zastosowaniami, pozwalają na wykorzystanie tych ogniw jako przenośnych źródeł energii, elementów ubioru, pokryć namiotów, żagli, dachów, ścian budynków itp. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne są także stosowane w różnorodnych systemach detekcji światła, zwłaszcza w zastosowaniach militarnych, gdzie wymagana jest elastyczność, lekkość i łatwe przemieszczanie detektorów promieniowania i elementów zasilania. Przykładowe zastosowania organicznych ogniw fotowoltaicznych pokazano na rys. 4.
Przykładowe zastosowania ograniczonych ogniw fotowoltaicznych:
a) wytwarzania energii na dachu budynku (Firma Graetzel, Szwajcaria)
b) zasilania w energię elektryczną namiotu (Firma Raytheon, USA)
Niewielka materiałochłonność tych ogniw, wynikająca z produkowania ich w postaci cienkich warstw (ok. 100nm), cienkich włókien, a także łatwość chemicznej modyfikacji, lekkość i ogromna różnorodność chemicznych struktur możliwych do zastosowania pozwalają przypuszczać, iż organiczne ogniwa fotowoltaiczne opanują w przyszłości rynek ogniw i baterii fotowoltaicznych.
Źródła
prof. dr hab. Jan Godlewski
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Politechnika Gdańska
W porównaniu z innymi odnawialnymi źródłami energii fotowoltaika ma potencjał zdolny pokryć całkowite zapotrzebowanie ludzkości na energię elektryczną.
Dotychczas wykorzystywane materiały do produkcji ogniw fotowoltaicznych są typu nieorganicznego, a należą do nich np. german, krzem, arsenek galu (GaAs), krzem amorficzny (a-Si) i jego stopy, tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CiS). Wydajność komercyjnych ogniw zbudowanych z tych materiałów nie przekracza 12%, jednak ich ogromną wadą jest zbyt wysoki koszt w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii elektrycznej.
W Europie i na świecie opracowywane są liczne projekty, tzw. Research and Development (R&D), dotyczące strategii rozwoju fotowoltaiki, gdzie podstawowym celem jest wzrost wydajności ogniw fotowoltaicznych oraz spadek cen ich produkcji, instalacji i eksploatacji.
Także Japończycy opracowali własne plany rozwoju fotowoltaiki, które ukazują perspektywy rozwoju fotowoltaiki w ujęciu światowym. W planach tych jedną z podstawowych dróg rozwoju jest poprawa wydajności, zmniejszenie kosztów produkcji i instalowania ogniw nieorganicznych oraz masowe wdrażanie do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych nowych materiałów – przede wszystkim materiałów organicznych. Materiały organiczne stanowią ważną perspektywę dla masowej produkcji ogniw fotowoltaicznych ze względu na niski koszt wytwarzania i instalacji oraz wiele nowych cennych zalet wytwarzanych z tych materiałów ogniw, takich jak elastyczność, giętkość i lekkość, co otwiera nowe możliwości praktycznych zastosowań ogniw fotowoltaicznych.
Organiczne ogniwa fotowoltaiczne
Mimo iż obecnie powszechnie używane materiały do celów produkcji ogniw fotowoltaicznych są typu nieorganicznego, to w ostatnich 20 latach ogromny wysiłek został włożony w rozwój organicznych ogniw fotowoltaicznych1-5. Pierwsze generacje organicznych ogniw fotowoltaicznych stanowiły ogniwa złożone z jednej warstwy materiału organicznego, umieszczonego pomiędzy elektrodami. Wydajność tych ogniw była bardzo niska, rzędu 10-2%.
Schemat budowy najprostszych organicznych ogniw fotowoltaicznych, zawierających jedną oraz dwie warstwy materiału organicznego, przedstawia rys. 13, 5.
Rys. 1. Schemat jednowarstwowego i dwuwarstwowego ogranicznego ogniwa fotowoltaicznego
Zasada działania organicznych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na procesach powodowanych przez ekscytony, które wytwarza światło w materiałach molekularnych. Zwykle światło generuje ekscytony typu Frenkla, rzadziej ekscytony charge-transfer (CT)1, 2. Wytworzone przez światło ekscytony dyfundują wewnątrz materiału molekularnego i mogą dysocjować na dwa rodzaje nośników ładunku na elektrodach lub na złączach materiałów. Po wytworzeniu dwóch rodzajów nośników ładunków kolejne procesy powinny doprowadzić do ich rozdziału, tak aby powstał prąd w obwodzie zewnętrznym. Im efektywniejszy jest rozdział wytworzonych przez ekscytony nośników ładunku, tym wydajniejsze jest przetwarzanie energii optycznej w ogniwie fotowoltaicznym.
W pierwszych ogniwach jednowarstwowych wydajność rozdziału nośników ładunku była niezbyt wielka, dlatego poszukiwano i wciąż poszukuje się wydajniejszych na to sposobów. Znaczny przełom w tym względzie nastąpił dzięki koncepcji dwuwarstwowych ogniw fotowoltaicznych, czyli ogniw zbudowanych z dwóch warstw organicznych umieszczonych pomiędzy elektrodami. Obecnie dwuwarstwowe organiczne ogniwa fotowoltaiczne osiągają wydajność do ok. 5%. Jest to już wystarczająca wydajność energetyczna, możliwa do praktycznego wykorzystania.
Ostatnio nastąpił ogromny postęp w wytwarzaniu przewodzących polimerów, oraz materiałów donorowych i akceptorowych, które zostały zastosowane do budowy fotowoltaicznych ogniw organicznych oraz innych elementów elektronicznych elektroniki molekularnej. Postęp w zakresie wytwarzania nowych materiałów organicznych doprowadził do gwałtownego rozwoju nowego typu ogniw fotowoltaicznych, opartych na złączach polimer-materiał organiczny, heterozłączach objętościowych oraz do budowy ogniw hybrydowych. Szczególnie interesujące są organiczne układy fotowoltaiczne, zawierające molekularne lub polimerowe materiały donorowo-akceptorowe, jako materiały optycznie czynne w zjawisku fotowoltaicznym. Schemat takiego procesu powodującego rozdział nośników ładunku z udziałem fotonu przedstawia rys. 25.
Rys. 2. Schemat optycznego procesu przeniesienia elektronu pomiędzy donorem (P3HT) i akceptorem ([6-6]-PCBM), wykorzystywany w zjawisku fotowoltaicznym
Ogromny postęp dotyczący badań, bazy technicznej i technologicznej w zakresie organicznych ogniw fotowoltaicznych pozwala sądzić, iż będą one stanowić konkurencyjną alternatywę wielu ogniw konwencjonalnych, zbudowanych na bazie materiałów nieorganicznych. Aby rozpocząć masową produkcję, dążono do osiągnięcia wydajności rzędu 10%. Przy tak ogromnym tempie rozwoju tej dziedziny nauki i techniki szacowano, iż granica ta zostanie osiągnięta w ciągu najbliższych 10 lat. Jednakże już w 2005 r. pojawiła się informacja, iż w laboratorium została osiągnięta wydajność organicznych ogniw fotowoltaicznych ponad 11%4, a niektóre firmy produkujące ogniwa doszły nawet do 15%. Produkcja organicznych ogniw fotowoltaicznych na mniejszą skalę jest już realizowana od kilku lat, a ostatnie osiągnięcia w tej dziedzinie wskazują, że wiele firm światowych wchodzi w fazę masowej produkcji.
Zalety i zastosowanie
Obecny koszt wytwarzania ogniw nieorganicznych wynosi ok. 500 – 1000 dol./m2 i w najbliższym czasie nie należy oczekiwać znacznego jego zmniejszenia. Spodziewany koszt wytwarzania organicznych ogniw fotowoltaicznych powinien zejść poniżej 50 dol./m2. W przyszłości będą one ok. 10 razy tańsze niż nieorganiczne. Niezwykle zachęcające są także inne cechy organicznych ogniw fotowoltaicznych, zwłaszcza ich lekkość, elastyczność i to, że mogą być produkowane w postaci cienkich elastycznych folii. Schemat odpowiednio wykonanej folii organicznej, wytwarzającej napięcie fotowoltaiczne, przedstawia rys. 3.
Rys. 3. Schemat elastycznego ogniwa fotowoltaicznego produkowanego przez firmę Konarka Technologies, USA
Nowe parametry i właściwości organicznych ogniw fotowoltaicznych, poza klasycznymi zastosowaniami, pozwalają na wykorzystanie tych ogniw jako przenośnych źródeł energii, elementów ubioru, pokryć namiotów, żagli, dachów, ścian budynków itp. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne są także stosowane w różnorodnych systemach detekcji światła, zwłaszcza w zastosowaniach militarnych, gdzie wymagana jest elastyczność, lekkość i łatwe przemieszczanie detektorów promieniowania i elementów zasilania. Przykładowe zastosowania organicznych ogniw fotowoltaicznych pokazano na rys. 4.
Przykładowe zastosowania ograniczonych ogniw fotowoltaicznych:
a) wytwarzania energii na dachu budynku (Firma Graetzel, Szwajcaria)
b) zasilania w energię elektryczną namiotu (Firma Raytheon, USA)
Niewielka materiałochłonność tych ogniw, wynikająca z produkowania ich w postaci cienkich warstw (ok. 100nm), cienkich włókien, a także łatwość chemicznej modyfikacji, lekkość i ogromna różnorodność chemicznych struktur możliwych do zastosowania pozwalają przypuszczać, iż organiczne ogniwa fotowoltaiczne opanują w przyszłości rynek ogniw i baterii fotowoltaicznych.
Źródła
- Hoppe H., Sariciftci N.S.: Organic solar cells: An overview. “J. Mater. Res.” 19/2004.
- Godlewski J.: Currents and photocurrents in organic materials determined by the interface phenomena. “Advances in Colloid and Interface Science” 116/2005.
- Tang C. W.: Two-layers organic photovoltaic cells. “Appl. Phys. Lett. 48/1986.
- Grätzel M.: Solar energy conversion by die-sensitized photovoltaic cells. “Inorg. Chem.” 44/2005.
- Yu et al.: Polymer photovoltaic cells: Enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor heterojunctions. “Science” 270/1995.
prof. dr hab. Jan Godlewski
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Politechnika Gdańska
