Nowe perspektywy rozwoju

Pompy ciep│a | OÂwietlenie LED, ┐arˇwki LED | Kolektory s│oneczne | Certyfikat energetyczny | Pod│ogˇwka

Nowe perspektywy rozwoju... Zjawisko fotowoltaiczne polega na tym, ┼╝e w wyniku o┼Ťwietlenia w obwodzie zewn─Ötrznym pojawia si─Ö napi─Öcie elektryczne. Nast─Öpuje wi─Öc bezpo┼Ťrednia konwersja energii s┼éonecznej w energi─Ö elektryczn─ů.

Tu jest miejsce na reklamŕ.
Zobacz cennik

W por├│wnaniu z innymi odnawialnymi ┼║r├│d┼éami energii fotowoltaika ma potencja┼é zdolny pokry─ç ca┼ékowite zapotrzebowanie ludzko┼Ťci na energi─Ö elektryczn─ů. Dotychczas wykorzystywane materia┼éy do produkcji ogniw fotowoltaicznych s─ů typu nieorganicznego, a nale┼╝─ů do nich np. german, krzem, arsenek galu (GaAs), krzem amorficzny (a-Si) i jego stopy, tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CiS). Wydajno┼Ť─ç komercyjnych ogniw zbudowanych z tych materia┼é├│w nie przekracza 12%, jednak ich ogromn─ů wad─ů jest zbyt wysoki koszt w por├│wnaniu z konwencjonalnymi ┼║r├│d┼éami energii elektrycznej. W Europie i na ┼Ťwiecie opracowywane s─ů liczne projekty, tzw. Research and Development (R&D), dotycz─ůce strategii rozwoju fotowoltaiki, gdzie podstawowym celem jest wzrost wydajno┼Ťci ogniw fotowoltaicznych oraz spadek cen ich produkcji, instalacji i eksploatacji.

Tak┼╝e Japo┼äczycy opracowali w┼éasne plany rozwoju fotowoltaiki, kt├│re ukazuj─ů perspektywy rozwoju fotowoltaiki w uj─Öciu ┼Ťwiatowym. W planach tych jedn─ů z podstawowych dr├│g rozwoju jest poprawa wydajno┼Ťci, zmniejszenie koszt├│w produkcji i instalowania ogniw nieorganicznych oraz masowe wdra┼╝anie do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych nowych materia┼é├│w - przede wszystkim materia┼é├│w organicznych. Materia┼éy organiczne stanowi─ů wa┼╝n─ů perspektyw─Ö dla masowej produkcji ogniw fotowoltaicznych ze wzgl─Ödu na niski koszt wytwarzania i instalacji oraz wiele nowych cennych zalet wytwarzanych z tych materia┼é├│w ogniw, takich jak elastyczno┼Ť─ç, gi─Ötko┼Ť─ç i lekko┼Ť─ç, co otwiera nowe mo┼╝liwo┼Ťci praktycznych zastosowa┼ä ogniw fotowoltaicznych.┬á

Organiczne ogniwa fotowoltaiczne

Mimo i┼╝ obecnie powszechnie u┼╝ywane materia┼éy do cel├│w produkcji ogniw fotowoltaicznych s─ů typu nieorganicznego, to w ostatnich 20 latach ogromny wysi┼éek zosta┼é w┼éo┼╝ony w rozw├│j organicznych ogniw fotowoltaicznych1-5. Pierwsze generacje organicznych ogniw fotowoltaicznych stanowi┼éy ogniwa z┼éo┼╝one z jednej warstwy materia┼éu organicznego, umieszczonego pomi─Ödzy elektrodami. Wydajno┼Ť─ç tych ogniw by┼éa bardzo niska, rz─Ödu 10-2%.┬áSchemat budowy najprostszych organicznych ogniw fotowoltaicznych, zawieraj─ůcych jedn─ů oraz dwie warstwy materia┼éu organicznego.

Zasada dzia┼éania organicznych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na procesach powodowanych przez ekscytony, kt├│re wytwarza ┼Ťwiat┼éo w materia┼éach molekularnych. Zwykle ┼Ťwiat┼éo generuje ekscytony typu Frenkla, rzadziej ekscytony charge-transfer (CT)1,┬á2. Wytworzone przez ┼Ťwiat┼éo ekscytony dyfunduj─ů wewn─ůtrz materia┼éu molekularnego i mog─ů dysocjowa─ç na dwa rodzaje no┼Ťnik├│w ┼éadunku na elektrodach lub na z┼é─ůczach materia┼é├│w. Po wytworzeniu dw├│ch rodzaj├│w no┼Ťnik├│w ┼éadunk├│w kolejne procesy powinny doprowadzi─ç do ich rozdzia┼éu, tak aby powsta┼é pr─ůd w obwodzie zewn─Ötrznym. Im efektywniejszy jest rozdzia┼é wytworzonych przez ekscytony no┼Ťnik├│w ┼éadunku, tym wydajniejsze jest przetwarzanie energii optycznej w ogniwie fotowoltaicznym.

W pierwszych ogniwach jednowarstwowych wydajno┼Ť─ç rozdzia┼éu no┼Ťnik├│w ┼éadunku by┼éa niezbyt wielka, dlatego poszukiwano i wci─ů┼╝ poszukuje si─Ö wydajniejszych na to sposob├│w. Znaczny prze┼éom w tym wzgl─Ödzie nast─ůpi┼é dzi─Öki koncepcji dwuwarstwowych ogniw fotowoltaicznych, czyli ogniw zbudowanych z dw├│ch warstw organicznych umieszczonych pomi─Ödzy elektrodami. Obecnie dwuwarstwowe organiczne ogniwa fotowoltaiczne osi─ůgaj─ů wydajno┼Ť─ç do ok. 5%. Jest to ju┼╝ wystarczaj─ůca wydajno┼Ť─ç energetyczna, mo┼╝liwa do praktycznego wykorzystania.

Ostatnio nast─ůpi┼é ogromny post─Öp w wytwarzaniu przewodz─ůcych polimer├│w, oraz materia┼é├│w donorowych i akceptorowych, kt├│re zosta┼éy zastosowane do budowy fotowoltaicznych ogniw organicznych oraz innych element├│w elektronicznych elektroniki molekularnej. Post─Öp w zakresie wytwarzania nowych materia┼é├│w organicznych doprowadzi┼é do gwa┼étownego rozwoju nowego typu ogniw fotowoltaicznych, opartych na z┼é─ůczach polimer-materia┼é organiczny, heteroz┼é─ůczach obj─Öto┼Ťciowych oraz do budowy ogniw hybrydowych. Szczeg├│lnie interesuj─ůce s─ů organiczne uk┼éady fotowoltaiczne, zawieraj─ůce molekularne lub polimerowe materia┼éy donorowo-akceptorowe, jako materia┼éy optycznie czynne w zjawisku fotowoltaicznym. Schemat takiego procesu powoduj─ůcego rozdzia┼é no┼Ťnik├│w ┼éadunku z udzia┼éem fotonu.

Ogromny post─Öp dotycz─ůcy bada┼ä, bazy technicznej i technologicznej w zakresie organicznych ogniw fotowoltaicznych pozwala s─ůdzi─ç, i┼╝ b─Öd─ů one stanowi─ç konkurencyjn─ů alternatyw─Ö wielu ogniw konwencjonalnych, zbudowanych na bazie materia┼é├│w nieorganicznych. Aby rozpocz─ů─ç masow─ů produkcj─Ö, d─ů┼╝ono do osi─ůgni─Öcia wydajno┼Ťci rz─Ödu 10%. Przy tak ogromnym tempie rozwoju tej dziedziny nauki i techniki szacowano, i┼╝ granica ta zostanie osi─ůgni─Öta w ci─ůgu najbli┼╝szych 10 lat. Jednak┼╝e ju┼╝ w 2005 r. pojawi┼éa si─Ö informacja, i┼╝ w laboratorium zosta┼éa osi─ůgni─Öta wydajno┼Ť─ç organicznych ogniw fotowoltaicznych ponad 11%4, a niekt├│re firmy produkuj─ůce ogniwa dosz┼éy nawet do 15%. Produkcja organicznych ogniw fotowoltaicznych na mniejsz─ů skal─Ö jest ju┼╝ realizowana od kilku lat, a ostatnie osi─ůgni─Öcia w tej dziedzinie wskazuj─ů, ┼╝e wiele firm ┼Ťwiatowych wchodzi w faz─Ö masowej produkcji.

Zalety i zastosowanie

Obecny koszt wytwarzania ogniw nieorganicznych wynosi ok. 500 - 1000 dol./m2 i w najbli┼╝szym czasie nie nale┼╝y oczekiwa─ç znacznego jego zmniejszenia. Spodziewany koszt wytwarzania organicznych ogniw fotowoltaicznych powinien zej┼Ť─ç poni┼╝ej 50 dol./m2. W przysz┼éo┼Ťci b─Öd─ů one ok. 10 razy ta┼äsze ni┼╝ nieorganiczne. Niezwykle zach─Öcaj─ůce s─ů tak┼╝e inne cechy organicznych ogniw fotowoltaicznych, zw┼éaszcza ich lekko┼Ť─ç, elastyczno┼Ť─ç i to, ┼╝e mog─ů by─ç produkowane w postaci cienkich elastycznych folii. Schemat odpowiednio wykonanej folii organicznej, wytwarzaj─ůcej napi─Öcie fotowoltaiczne.

Nowe parametry i w┼éa┼Ťciwo┼Ťci organicznych ogniw fotowoltaicznych, poza klasycznymi zastosowaniami, pozwalaj─ů na wykorzystanie tych ogniw jako przeno┼Ťnych ┼║r├│de┼é energii, element├│w ubioru, pokry─ç namiot├│w, ┼╝agli, dach├│w, ┼Ťcian budynk├│w itp. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne s─ů tak┼╝e stosowane w r├│┼╝norodnych systemach detekcji ┼Ťwiat┼éa, zw┼éaszcza w zastosowaniach militarnych, gdzie wymagana jest elastyczno┼Ť─ç, lekko┼Ť─ç i ┼éatwe przemieszczanie detektor├│w promieniowania i element├│w zasilania. Przyk┼éadowe zastosowania organicznych ogniw fotowoltaicznych .

Niewielka materia┼éoch┼éonno┼Ť─ç tych ogniw, wynikaj─ůca z produkowania ich w postaci cienkich warstw (ok. 100nm), cienkich w┼é├│kien, a tak┼╝e ┼éatwo┼Ť─ç chemicznej modyfikacji, lekko┼Ť─ç i ogromna r├│┼╝norodno┼Ť─ç chemicznych struktur mo┼╝liwych do zastosowania pozwalaj─ů przypuszcza─ç, i┼╝ organiczne ogniwa fotowoltaiczne opanuj─ů w przysz┼éo┼Ťci rynek ogniw i baterii fotowoltaicznych.

Źródła

1. Hoppe H., Sariciftci N.S.: Organic solar cells: An overview. "J. Mater. Res." 19/2004.

2. Godlewski J.: Currents and photocurrents in organic materials determined by the interface phenomena. "Advances in Colloid and Interface Science" 116/2005.

3. Tang C. W.: Two-layers organic photovoltaic cells. "Appl. Phys. Lett. 48/1986.

4. Gr├Ątzel M.: Solar energy conversion by die-sensitized photovoltaic cells. "Inorg. Chem." 44/2005.

5. Yu et al.: Polymer photovoltaic cells Enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor heterojunctions. "Science" 270/1995.

autor: prof. dr hab. Jan Godlewski, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska

Nowe perspektywy rozwoju

Promocje:

PROMOCJE: