Oto całkiem nowe panele fotowoltaiczne. Te używane teraz trafią do muzeum
Fotowoltaika w szybie, wydajna, tania i ekologiczna. To bliska już przyszłość dzięki niezwykłemu odkryciu amerykańskich naukowców.
Naukowcy z Uniwersytetu Kansas dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie półprzewodników organicznych, otwierając tym samym drzwi do produkcji bardziej wydajnych i wszechstronnych ogniw słonecznych. Ta nowatorska technologia może zrewolucjonizować sposób, w jaki pozyskujemy energię słoneczną, czyniąc ją bardziej dostępną i przyjazną dla środowiska.
Energia słoneczna jest kluczowa dla przyszłości czystej energii. Tradycyjnie energia słoneczna jest pozyskiwana przy użyciu paneli fotowoltaicznych na bazie krzemu - tego samego materiału półprzewodnikowego, który jest używany w codziennych urządzeniach elektronicznych. Jednak krzemowe panele słoneczne mają wady: są drogie, trudne do zamontowania na zakrzywionych powierzchniach, a ich recykling to złożony i kosztowny proces.
Fotowoltaika przyszłości
Aby rozwiązać te niedociągnięcia, naukowcy opracowali alternatywne materiały do pozyskiwania energii słonecznej. Do najbardziej obiecujących należą tzw. półprzewodniki organiczne, półprzewodniki na bazie węgla, które są tańsze i przyjazne dla środowiska.
Półprzewodniki organiczne mogą obniżyć koszty produkcji paneli słonecznych, ponieważ tym materiałem można pokrywać dowolne powierzchnie, także za pomocą metod opartych na roztworach - tak jak malujemy ścianę
Co więcej, panele fotowoltaiczne na bazie półprzewodników organicznych można dostroić tak, aby pochłaniały światło o wybranych długościach fal, co można wykorzystać do tworzenia przezroczystych paneli słonecznych lub paneli o różnych kolorach.
Chociaż półprzewodniki organiczne są już stosowane w wyświetlaczach elektroniki użytkowej - w smartfonach, telewizorach i zestawach rzeczywistości wirtualnej, nie są jeszcze szeroko stosowane w komercyjnych panelach słonecznych.
Jedną z wad organicznych ogniw słonecznych jest ich niska wydajność konwersji światła na energię elektryczną, wynosząca około 12 proc. w porównaniu z monokrystalicznymi ogniwami słonecznymi z krzemu, które działają ze sprawnością 25 proc.
Jednak niedawny rozwój nowej klasy półprzewodników organicznych znanych jako akceptory niefulerenowe (NFA) zmienił te proporcje. Organiczne ogniwa słoneczne wykonane z NFA mogą osiągnąć wydajność bliższą 20 proc.
Więcej o fotowoltaice przyszłości przeczytasz na Spider's Web:
- Gigantyczna farma fotowoltaiczna zasila fabrykę samochodów. To już się dzieje w Polsce
- Fotowoltaika po nowemu. Polska fizyczka z patentem na przełomową technologię
- Niemcy stawiają na to samo co Polacy. Niedaleko Lipska powstało prawdziwe monstrum
- Wyłączyli fotowoltaikę, bo chcieli postraszyć rząd. Właściciele paneli zrobili strajk
Co się dzieje w jednej bilionowej sekundy?
Pomimo znakomitych osiągów, społeczność naukowa nie potrafi wyjaśnić, dlaczego NFA znacząco przewyższa inne półprzewodniki organiczne.
W przełomowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Advanced Materials zespół Chana odkrył mikroskopijny mechanizm, który częściowo wyjaśnia przyczynę wyjątkowej wydajności osiąganej przez NFA.
Kluczem do tego odkrycia były pomiary wykonane przy użyciu eksperymentalnej techniki zwanej „time-resolved two photon photoemission spectroscopy” lub TR-TPPE. Ta metoda pozwoliła zespołowi śledzić energię wzbudzonych elektronów z sub-pikosekundową rozdzielczością czasową (mniej niż bilionowa część jednej sekundy).
W pomiarach zaobserwowaliśmy, że niektóre optycznie wzbudzone elektrony w NFA mogą uzyskać energię z otoczenia zamiast tracić energię na rzecz otoczenia. Ta obserwacja jest sprzeczna z intuicją, ponieważ wzbudzone elektrony zazwyczaj tracą swoją energię na rzecz otoczenia, tak jak filiżanka gorącej kawy traci ciepło na rzecz otoczenia
Entropia, elektrony i nowa fotowoltaika
Jak to wszystko możliwe? Tu wypłynąć musimy na głębokie wody fizyki kwantowej i nauki. Zespół uważa, że ten niezwykły proces zachodzi w skali mikroskopowej dzięki kwantowemu zachowaniu elektronów, które pozwalają wzbudzonemu elektronowi pojawić się jednocześnie na kilku cząsteczkach.
Ta kwantowa dziwność łączy się z drugą zasadą termodynamiki, która głosi, że każdy proces fizyczny prowadzi do wzrostu całkowitej entropii (często nazywanej "nieporządkiem"), aby wytworzyć niezwykły proces zysku energii.
W większości przypadków gorący obiekt przekazuje ciepło do swojego zimnego otoczenia, ponieważ przekazywanie ciepła prowadzi do wzrostu całkowitej entropii. Odkryliśmy jednak, że w przypadku cząsteczek organicznych ułożonych w określonej strukturze nanoskalowej typowy kierunek przepływu ciepła jest odwrócony. Ten odwrócony przepływ ciepła pozwala neutralnym ekscytonom na pobieranie ciepła z otoczenia i dysocjuje na parę ładunków dodatnich i ujemnych. Te swobodne ładunki mogą z kolei wytwarzać prąd elektryczny
Bazując na wynikach swoich eksperymentów, zespół wysunął hipotezę, że ten napędzany entropią mechanizm rozdzielania ładunków pozwala organicznym ogniwom słonecznym wykonanym z NFA osiągnąć znacznie większą wydajność.
Pomimo że entropia jest dobrze znaną koncepcją w fizyce i chemii, rzadko była aktywnie wykorzystywana do poprawy wydajności urządzeń do konwersji energii. Zrozumienie mechanizmu separacji ładunku pozwoli badaczom na projektowanie nowych nanostruktur, które wykorzystają entropię do kierowania przepływem ciepła lub energii w skali nano
Co więcej, zespół naukowców uważa, że mechanizm odkryty w tej pracy można wykorzystać do produkcji wydajniejszych ogniw słonecznych. Uważają oni również, że może on pomóc naukowcom w projektowaniu wydajniejszych fotokatalizatorów do produkcji paliwa słonecznego, czyli procesu fotochemicznego, w którym dwutlenek węgla jest przekształcany w paliwa organiczne przy użyciu światła słonecznego.
Odkrycie naukowców z Uniwersytetu Kansas to ważny krok naprzód w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości. Nowa technologia organicznych półprzewodników może zrewolucjonizować sposób, w jaki pozyskujemy energię słoneczną, czyniąc ją bardziej dostępną, wydajną i przyjazną dla środowiska. To ekscytujący czas dla technologii słonecznej, a przyszłość wygląda obiecująco.